thumb|Trilobite, animal emblématique de l'explosion Cambrienne. L’explosion cambrienne (il y a entre 541 et 530 millions d'années) désigne l'apparition soudaine – à l'échelle géologique – de la plupart des grands embranchements actuels de métazoaires (animaux pluricellulaires) ainsi que de quelques autres, disparus entre-temps, initiant ainsi une grande diversification des classes et des espèces animales, végétales et bactériennes. Certains auteurs. n'hésitent pas à parler de « big bang zoologique au Cambrien », avec l'apparition en quelques dizaines de millions d'années de la quasi-totalité des grands plans d'organisation connus actuellement (Annélides, Mollusques, Échinodermes, Chordés, etc.)..
Cette « explosion » fut révélée par les fossiles conservés dans les schistes de Burgess au Canada. Ce site découvert en 1909 a révélé un biotope marin riche en espèces, mais dont les restes n'ont été correctement analysés que plus de cinquante ans après.
Les raisons de cette apparition soudaine restent encore peu connues à cause du faible nombre de fossiles. L'explosion cambrienne a été précédée par un phénomène similaire, mais moins important : la diversification édiacarienne ; avant ces deux phénomènes, la plupart des organismes étaient simples et composés de cellules individuelles, parfois regroupées sous forme de colonies.
Histoire et importance
vignette |Opabinia contribua largement au renouveau de l'intérêt scientifique pour l'explosion cambrienne vignette| Ce spécimen de Marrella illustre la précision des détails des fossiles issus des schistes de Burgess. vignette|Un Rusophycus et d'autres traces fossiles issues de la Formation Gog près du lac Louise au Canada. Dès Buckland (1784-1856), les scientifiques avaient remarqué l'apparition rapide de fossiles à l'époque cambrienne. Charles Darwin considérait d'ailleurs cela comme l'un des principaux points faibles de sa théorie de la sélection naturelle. En effet, à son époque, ces animaux semblaient sortir de nulle part et il consacra à ce problème un chapitre entier de son ouvrage L'Origine des espèces. Le paléontologue américain Charles Walcott supposa alors qu'un intervalle de temps géologique qu'il appela n'avait pas encore été découvert et que c'est durant cette période que les des animaux du Cambrien s'étaient développés.
On sait aujourd'hui que les premières formes de vie sont apparues il y millions d'années d'après l'étude des roches de Warrawoona en Australie. Celles-ci renfermaient des stromatolithes : des formations sédimentaires dues aux colonies de micro-organismes. En 2010, des fossiles sont découverts au Gabon. Il s'agit d'un ensemble de fossiles d'organismes pluricellulaires macroscopiques, appelés Gaboniontes, trouvés dans une couche géologique datée de millions d'annéeshttp://www2.cnrs.fr/presse/communique/1928.htm. Les roches plus jeunes, datant de 565 à 543 millions d'années, contiennent des fossiles des premiers organismes de taille métrique, appelés « Édiacariens » ou parfois « animaux pneumatiques ». On ignore si les lacunes fossilifères entre les Gaboniontes, la faune de l'Édiacarien et l'explosion cambrienne sont dues simplement à la non-conservation ou la non-découverte de fossiles, ou bien si elles signifient qu'entre ces trois diversifications, les espèces pluricellulaires ont disparu faute de conditions de vie favorables.
En 1909, Walcott découvre dans des schistes près du Mont Burgess au Canada, des fossiles datant du Cambrien. Il y retourna jusqu'à sa mort en 1924 et excava plus de spécimens de 120 espèces différentes. Le schiste étant un type de roche sédimentaire formé de particules fines d’argile et de limon, les fossiles sont très bien conservés et permettent de distinguer la plupart des détails des organismes. Malgré leur aspect surprenant et novateur, Walcott chercha, comme c'était la règle à l'époque, à ranger ces espèces dans la classification existante, sans vraiment en comprendre la complexité. Ainsi, les organismes découverts restèrent au stade de curiosité jusque dans les années 1960 lorsqu'une nouvelle génération de scientifiques menée par Whittington réalise que les fossiles découverts représentent une faune beaucoup plus diversifiée et originale que ne l'avait pensé Walcott Whittington, H. B. (1979). Early arthropods, their appendages and relationships. In M. R. House (Ed.), The origin of major invertebrate groups (). The Systematics Association Special Volume, 12. London: Academic Press..
L'organisme le plus courant des schistes de Burgess, Marrella, est clairement un arthropode mais n'appartient à aucune des classes d'arthropodes connues. Opabinia est le premier animal inhabituel à avoir été complètement décrit lors de la redécouverte des fossiles dans les années 1970. Initialement classé parmi les arthropodes, Whittington démontre quOpabinia n'appartient à aucun embranchement connu. Cet organisme et bien d'autres comme Wiwaxia ou Yohoia ne ressemblent à aucun animal existant aujourd'hui. Dans son ouvrage, La vie est belle : les surprises de l'évolution, Stephen Jay Gould révèle au public l'existence de l'explosion cambrienne et les problèmes qu'elle soulève. En effet, Whittington et Gould proposent que tous les embranchements biologiques sont apparus soudainement il y a 535 millions d'années et que la plupart des formes de vie animales actuelles ne sont que des variations des organismes de cette époque. Cette vue est influencée par la théorie des équilibres ponctués qui voit l'évolution comme une suite de longues phases de stagnation "ponctuées" par de brèves périodes de changements rapides.
Cependant, la faune de l'Édiacarien montre que la vie avant l'explosion cambrienne n'était pas uniquement constituée d'organismes unicellulaires.
Preuves de l'explosion Étudier des événements datant d'environ un demi-milliard d'années est un exercice difficile car les seuls indices sont des traces biologiques et chimiques dans les roches et de rares fossiles.
Datation du Cambrien La datation absolue par radioactivité est obtenue en étudiant la proportion de radioisotopes dans les roches. Cette méthode n'est devenue relativement précise qu'il y a peu de temps et n'a encore été utilisée que dans peu de régionse.g. .
La datation relative (A était là avant B) est souvent suffisante pour étudier les processus évolutifs mais il est souvent difficile de trouver des roches datant de la même époque sur différents continentse.g. .
Par conséquent la succession d'événements doit être prise avec précaution jusqu'à ce que des données plus fiables soient disponibles.
Fossiles vignette|Fossiles de l'hémichordé Oesia disjuncta. Le corps comporte trois parties (proboscis à gauche, collet au centre, tronc à droite).. vignette|Restitution paléoartistique de l’Hallucigenia des schistes de Burgess par José-Manuel Canete, 2015. Les fossiles des organismes sont souvent les sources d'informations les plus importantes. La fossilisation est un événement très rare et de nombreux fossiles sont détruits par l'érosion ou le métamorphisme avant d'avoir été étudiés. Par conséquent, les restes fossiles sont d'autant plus rares qu'ils sont anciens. Ils permettent cependant de connaitre les grandes lignes de l'histoire de la vie. Certains environnements sont beaucoup plus propices à la fossilisation que d'autres. De plus, seules les parties déjà minéralisées des organismes comme les coquilles des mollusques ou les os des vertébrés sont généralement conservées. Les parties molles sont souvent décomposées avant d'avoir été fossilisés.
Les fossiles du Cambrien sont quasiment tous issus de lagerstättes qui préservent les tissus mous et permettent aux paléontologues d'étudier l'anatomie interne des animaux y compris les parties disparues sur les spécimens issus d'autres roches. Les principaux lagerstättes du Cambrien sont ceux de Maotianshan et de Qingjiang. en Chine, d'Emu Bay en Australie, de Sirius Passet au Groenland et d'Öland en Suède. Bien que les lagerstättes aient préservé bien plus de fossiles que les autres roches, ils sont loin d'être suffisants. Les lagerstätte sont limités à quelques environnements (ceux où les organismes mous sont rapidement ensevelis comme lors de glissements de terrain) et de nombreuses espèces ne sont sans doute pas représentées.
Les corps fossilisés ne sont pas les seules traces biologiques des organismes. Ceux-ci ont laissé des traces comme des sillons, des terriers ou des coprolithes (excréments fossilisés) qui permettent d'approfondir notre connaissance de leur comportement, et sont souvent découvertes avant l'organisme qui les a créés.
Études géochimiques De nombreux marqueurs chimiques indiquent un changement radical dans l'environnement au début du Cambrien et sont cohérents avec une extinction de masse ou avec un réchauffement massif dû à un largage massif d'hydrate de méthane qui peuvent être l'une des causes de l'explosion.
Techniques phylogénétiques La cladistique est une technique permettant de dessiner l'"arbre généalogique" d'une famille d'organismes. Cette méthode repose sur le fait que si les groupes B et C ont plus de points communs entre eux qu'avec le groupe A alors B et C sont plus proches l'un de l'autre que de A. Les caractéristiques comparées peuvent être anatomiques, comme la présence de notochorde ou moléculaires en comparant les séquences d'ADN ou les protéines. Finalement, on obtient une hiérarchie de clades qui sont des groupes dont les membres ont probablement un ancêtre commun. Cette technique n'est pas parfaite car certaines caractéristiques comme les ailes ou l'œil évoluent en plusieurs étapes. La convergence évolutive doit également être prise en compte.
À l'aide de ces relations, il est possible d'obtenir la date d'apparition de la lignée. Par exemple, si les fossiles B ou C datent de X millions d'années et si selon l' A est un ancêtre de B ou C alors A doit être apparu il y a plus de X millions d'années.
Il est également possible d'estimer la durée séparant la divergence entre deux clades en supposant que les mutations génétiques s'accumulent à un rythme constant. Ces sont cependant peu précises et ne permettent pas d'estimer à quel moment a commencé l'explosion cambrienne. Cependant, elles permettent de dire qu'une période de forte diversification a eu lieu lors de l'Ediacarien et du Cambrien.
Horloge moléculaire L'horloge moléculaire est une méthode utilisée afin de déterminer à quel moment une dichotomie évolutive est apparue. En effet, l'idée principale de cette méthode est qu'un gène donné développe des mutations à un rythme constant. Ainsi, en comparant le même gène entre deux clades, il est possible d'inférer le moment où la séparation de ceux-ci s'est faite. Cependant, ces études n'étaient pas très crédibles, car il a été démontré que les gènes n'évoluent pas tous au même taux. Ainsi, les nouvelles études doivent tenir compte de cette hétérogénéité des taux d'évolution des gènes afin de mieux inférer les dates d'apparitions des nouveaux embranchements. Par contre, la prise en compte de cette nouvelle notion infirme l'hypothèse de l'explosion du Cambrien, où la majorité des embranchements serait apparue dans un intervalle d'environ 20 millions d'années. En effet, elle montre que plusieurs embranchements existaient avant le Cambrien (Mollusca, Annelida, Cnidaria, Echindermata). L'absence de ces organismes dans les registres fossiles pré-cambrien serait expliquée par le fait que ces animaux auraient été trop petits et dotés d'un corps trop mou. De plus, ce serait seulement au Cambrien que les sédiments auraient permis la fossilisation d'organismes, ce qui explique la faible représentation animale de l'Édiacarien. Cependant, puisque l'estimation des différents taux d'évolution des gènes est quelque chose d'assez récent, les incertitudes quant aux intervalles où les dichotomies ont pu subvenir sont encore grandes, ce qui les rend plus permissives.
Explication de quelques termes scientifiques