201 - Regards sur l’histoire de la vie et de la biosphère

Les roches de l’Île d’Anticosti forment une séquence sédimentaire couvrant l’intervalle entre 455 millions (Ordovicien supérieur) et 430 millions d’années (Silurien moyen). Ces strates contiennent une grande diversité de fossiles qui nous informest sur la vie marine et l’histoire géologique de ce territoire au Paléozoique.

Grâce à un don de la Commission géologique du Canada, une importante collection de fossiles provenant de l'Île d'Anticosti est conservée dans le laboratoire de conservation et de recherche du Musée de Paléontologie et de l’Évolution. Cette collection est composée d’échantillons que le Dr. Allen Petryk, géologue au Ministère des Ressources naturelles et de la Faune du Québec, a recueillis pendant les années 1970 et 1980.

Les spécimens identifiés appartiennent à des groupes taxonomiques très diversifiés. La collection compte, entres autres, des trilobites très rares, des coraux, des brachiopodes et des mollusques provenant de la plupart des formations géologiques retrouvées sur l’île.
 

Présentation sommaire du musée de paléontologie et de géologie «Le Fossilarium de Notre-Dame-du-Nord ». Historique de l’organisme du « Regroupement des loisirs culturels et scientifiques du Témiscamingue » qui a travaillé à fonder le musée. Présentation d’une exposition ponctuelle dans des locaux loués chaque saison estivale, de 1991 à 1995. Diverses études de mise en valeur sur divers emplacements défrayées par le gouvernement (et la municipalité) pour une implantation d’un musée dédié aux fossiles de la région et à la géologie qui s’y rattache. Présentation des divers projets à un organisme générant d’importants profits et ayant la possibilité d’octroyer une commandite majeure pour loger la collection et l’interprétation dans des locaux permanents. Explication des refus et des négociations, style gagnant gagnant, avec l’organisme donateur « Le Rodéo du Camion », organisme n’étant pas porté au départ à financer un musée à caractère scientifique. Obtention d’une subvention importante de l’organisme régional puis des contributions équivalentes au niveau gouvernementale. Fonctionnement du musée sur une période de 20 ans avec l’aide de divers paliers de gouvernement. Mise à niveau de l’interprétation, changement de nom, image, etc. Perspectives d’avenir.

Le Musée de géologie René-Bureau de l’Université Laval renferme une collection de plus de 40 000 spécimens de fossiles, minéraux et roches représentatifs de la diversité géologique mondiale. Cette collection a récemment célébré ses 200 ans, ce qui en fait une des plus anciennes d’Amérique du Nord et l’héritière du rôle de collection géoscientifique provinciale. Comme plusieurs collections hébergées dans un milieu universitaire, la collection de géologie du Musée René-Bureau est centrale dans les activités d’enseignement et grandement utiles à de nombreux projets de recherche menés à l’Université Laval et dans d’autres établissements de recherche. Elle a aussi un rôle régional important dans l’enseignement des géosciences dans les écoles secondaires et primaires.

Les collections universitaires ont majoritairement été construites par le biais de dons individuels et institutionnels. Les institutions d’enseignement supérieur sont les gardiennes de cet héritage qui leur a été légué et ont le devoir de le préserver, de le documenter et d’en assurer la pérennité tant pour notre génération que pour celles qui suivront. Dans le contexte actuel, les responsables des collections au sein des établissements ont le devoir de mettre en valeur et de faire connaître l’importance de ces richesses collectives afin, entre autres, de justifier les superficies importantes qu’elles occupent et les investissements substantiels en sécurité nécessaire dus à leurs valeurs monétaires importantes.

Le Musée de paléontologie et de l'évolution (MPE) fêtera le 4 octobre 2017 sa 22e année d'existence. Organisme à but non lucratif ainsi qu'oeuvre de bienfaisance, il est maintenu par un groupe de bénévoles (amateurs, étudiants et professionnels), tous passionnés de paléontologie. Sa mission : mettre en valeur et conserver le patrimoine fossile québécois. De plus, il a pour but d’expliquer les mécanismes de l'évolution de la vie à travers l'histoire géologique de notre planète.

Le MPE n'a toujours pas de lieux permanents ouverts au public, objectif qui est revenu à la surface à plusieurs reprises au courant des vingt-deux dernières années et qui n'a pas abouti. Par contre, tout au long de ces années, de nombreuses activités ont été produites, par exemple, des expositions temporaires ou itinérantes, l'organisation de colloques et la mise sur pied d'un laboratoire où sont conservés plus de 60 000 spécimens fossiles. La collection du MPE s’est d’ailleurs agrandie exponentiellement ces dernières années, en qualité aussi bien qu’en qualité.

En 2019, le MPE présentera une exposition au Biodôme de Montréal, intitulée provisoirement « Montréal sous la mer ». Elle permettra de sonder auprès du grand public son intérêt pour la paléontologie, de faire connaître le MPE et finalement, d'amasser les appuis nécessaires à sa mise sur pied. Pour la première fois de son histoire, le MPE bénéficie d'un appui politique, chose essentielle à son aboutissement.

Inspiré des écrits de ses prédécesseurs et contemporains, mais surtout enrichi de ses observations en nature et en laboratoire, le naturaliste et géologue Charles Darwin publia, à l’automne 1859, un ouvrage qui allait être reconnu comme le fondement de la théorie de l’évolution, « De l'origine des espèces au moyen de la sélection naturelle ou la préservation des races favorisées dans la lutte pour la vie». Dans cette élaboration d’une théorie de l’évolution, Darwin mit en valeur l’importance de la variation phénotypique interindividuelle et de la sélection naturelle afin d’expliquer la modification dans la descendance. Au cœur de ses écrits, les fossiles occupent une place cruciale mais biaisée par les connaissances paléontologiques de l’époque. Bien qu’il évoque que les fossiles soient anatomiquement incomplets et que le registre fossile soit imparfait, Darwin élabore l’idée de lignées d’ancêtres à descendants où des fossiles de transition seraient des chaînons intermédiaires. Explorons ce que plus de 150 ans de découvertes paléontologiques apportent sur les idées de Darwin à l’égard de l’évolution. Nouveaux faits sur d’anciennes idées!

Les actinoptérygiens, ou poissons osseux à nageoires avec rayons, constituent le groupe de vertébrés le plus diversifié avec quelque 30 500 espèces actuelles. Les plus vieux actinoptérygiens connus datent du Silurien supérieur. Toutefois ce registre silurien n’inclut que quelques rares fragments. Le registre des actinoptérygiens se diversifie au Dévonien, avec un peu plus d’une quinzaine d’espèces, mais c’est toutefois au Carbonifère que le groupe connaîtra une première radiation évolutive. Parmi les taxons dévoniens, John M. Clarke a décrit, en 1885, une nouvelle espèce, Palaeoniscus devonicus, à partir de quelques os et écailles désarticulés trouvés à Sparta, dans l’ouest de l’État de New York (États-Unis). La redescription de ces spécimens ainsi que du matériel supplémentaire permet de reconstituer une bonne partie du squelette externe crânien et postcrânien. De plus, l’utilisation de la tomodensitométrie axiale (micro CT-scan) nous permet de visualiser virtuellement non seulement le dermatocrâne, mais également le neurocrâne, une composante anatomique rarement fossilisée chez les actinoptérygiens paléozoïques. Les nouvelles données suggèrent un conservatisme anatomique au niveau du dermatocrâne et du neurocrâne des espèces dévoniennes, précurseur à la radiation évolutive.

En 1892, le paléontologue américain Edward D. Cope comparait pour la première fois les pattes de « batraciens » paléozoïques et actuels avec les nageoires paires du poisson ostéolépiforme Eusthenopteron foordi du Dévonien supérieur de Miguasha en Gaspésie. Depuis cette comparaison, Eusthenopteron fut utilisé comme un organisme modèle pour toute recherche visant à étudier la transition évolutive entre les poissons et les premiers tétrapodes dévoniens. Cependant, depuis ce temps, nous avons principalement une vision typologique (i.e., basée sur peu de spécimens et minimisant la variation morphologique) de l’anatomie des nageoires paires (pectorales et pelviennes) d’Eusthenopteron. Peu d’études traitent des variations de forme et du nombre d’éléments endosquelettiques de ces nageoires. L’abondance des spécimens d’Eusthenopteron, la qualité de préservation des spécimens et l’utilisation de technologies de pointe (micro CT-scan) nous ont permis de décrire plus précisément les variations anatomiques des nageoires pectorales. Ces nouvelles données anatomiques seront mises en contexte de la transition entre les poissons ostéolépiformes, les elpistostégaliens (ou poissons de transition) et les premiers tétrapodes. 

La transformation morpho-fonctionnelle ayant conduit à la transition de la nageoire vers la patte chez les vertébrés est intimement liée au contexte environnemental dans lequel s’est déroulée cette étape cruciale. Élément-clé de cette question, Elpistostege watsoni est issu de la Formation d’Escuminac (Miguasha, Québec), une séquence détritique du Dévonien supérieur interprétée comme un environnement estuarien. Tout le matériel connu d’Elpistostege, incluant le tout premier spécimen complet, a été extrait de niveaux finement laminés. Le nouveau spécimen a été trouvé dans un horizon de 35 cm d’épaisseur présentant une alternance régulière de fines lamines sombres (minéraux argileux et matière organique amorphe) et claires (calcite et quartz) formant des couplets. Ce spécimen a été récupéré en association avec quelque 650 spécimens d’un assemblage dominé par l’acanthodien Homalacanthus. Le positionnement précis du spécimen d’Elpistostege a été déterminé par interdatation des séquences laminées. L’analyse de séries temporelles sur l’épaisseur des lamines a permis de reconnaître des patrons de dépôts sédimentaires. Outre l’alternance régulière de lamines sombres et claires, un ordre de cyclicité supplémentaire a été détecté. L’empilement de couplets présente un patron d’épaississement puis d’amincissement progressif, suggérant un cycle lunaire. Elpistostege semble être systématiquement associé au faciès tidal, ce qui se révèle compatible avec la transition poissons-tétrapodes.
 

Les poissons constituent un groupe à la fois très riche en espèces mais aussi en diversité de formes corporelles, notamment en raison de différences dans la configuration des nageoires. Afin de mieux comprendre l’origine de ces différences, il est nécessaire de clarifier le scénario évolutif traduisant l’apparition séquentielle des nageoires. Celui-ci n’est pas bien compris pour deux raisons principales : (1) les relations phylogénétiques entre les agnathes (poissons sans mâchoires) et les gnathostomes (poissons avec mâchoires) ne font pas l’objet d’un consensus, et (2) les relations d’homologie entre les nageoires des agnathes et celles des gnathostomes sont incertaines. Or, la majorité des agnathes ne sont connus que par des taxons fossiles. De ce fait, une bonne connaissance des états de caractères de ces taxons fossiles est essentielle pour interpréter la séquence évolutive d’apparition des nageoires. À ces fins, un super-arbre phylogénétique a été produit, synthétisant les résultats de 118 analyses phylogénétiques récentes, puis les données de présence/absence et de nombre des nageoires ont été superposées sur ce super-arbre. La répartition des caractères dans le super-arbre suggère entre autres que les nageoires médianes et paires seraient toutes deux apparues d’abord sous la forme de structures allongées qui auraient donc été les précurseurs des nageoires aux insertions plus exiguës que l’on retrouve chez les poissons plus avancés.

Plusieurs tendances morpho-évolutives interprétées à partir du registre fossile sont d’ores et déjà validées par les données moléculaires et développementales étudiées chez les organismes vivants. Toutefois, le registre fossile fournit exceptionnellement des données qui ne sont généralement accessibles que chez les espèces vivantes. Chez les vertébrés, les poissons dipneustes possèdent l'un des registres fossiles les plus vieux (410 Ma) et des plus complets (plus de 400 espèces fossiles et 6 espèces actuelles). Au cours de leur évolution, les dipneustes ont affiché des tendances morphologiques typiques, incluant un changement de la forme du corps résultant de la réduction du nombre de nageoires médianes. Cette tendance évolutive suggère des changements ontogénétiques tels que la pédomorphose et la néoténie qui impliquent la rétention de caractères larvaires ancestraux chez les descendants adultes. Afin de valider cette hypothèse, des séquences ontogénétiques de dipneustes vivants et fossiles sont nécessaires. Nous décrivons la première ontogénie fossile (incluant des individus larvaires, juvéniles, adultes et sénescents) pour un dipneuste dévonien (380 Ma), Scaumenacia curta (Miguasha, Québec). En comparant la séquence du développement squelettique du Scaumenacia avec la répartition des pertes phylogénétiques, nous fournissons la première preuve directe du rôle de la pédomorphose comme facteur évolutif marquant des dipneustes.

La dernière glaciation qui a affecté la péninsule du Québec-Labrador y a sans doute éliminé toute vie. Le retrait des glaces, amorcé il y a quelque 21 000 ans à la latitude de New-York s’est étalé entre 13 500 ans AA¹ à la frontière du Québec méridional et 5500 ans AA au cœur du Nunavik. Le territoire a alors connu une colonisation végétale par des graines et propagules d’espèces diverses et ce, dans des conditions variables d’établissement des populations au fil du temps. Les grands domaines de végétation trouvés de nos jours du nord au sud du Québec, de la Toundra aux Érablières en passant par la Toundra forestière, la Pessière à cladines, la Pessière à mousses hypnacées et les Sapinières, constituent un gradient qui sert de modèle pour la colonisation végétale postglaciaire en un lieu donné. Les reconstitutions du couvert végétal fournies par l’analyse pollinique et l’analyse macrofossile permettent d’identifier des lieux ou des époques qui constituent des écarts au modèle. Il faut les reconnaître et les expliquer pour mieux comprendre l’action du climat sur les changements de structure et de composition du couvert végétal.

¹AA = Avant l’Actuel, l’année 1950 constituant l’année zéro de référence.

L’étude des impacts des changements environnementaux sur les fonctions écosystémiques est parfois limitée par l’étendue de temps couverte par les études de terrain contemporaines. Ces études couvrent en effet une étendue temporelle limitée (mois-années) qui ne permet pas toujours d’étudier les rétroactions à l’œuvre au sein des écosystèmes. Les outils de la paléontologie, en particulier la paléobotanique, permettent de couvrir une échelle de temps plus large (décennies-siècles-millénaires) dans l’étude des réponses des écosystèmes aux changements. La difficulté réside alors dans l’attribution de liens de causalité entre les changements observés et les potentiels vecteurs de changements.

Dans le cadre de cette contribution, des exemples d’études de réponse des écosystèmes de tourbières aux changements environnementaux (changements climatiques, dégel du pergélisol, feux, drainage) sont présentés. Ces études couvrent différentes échelles temporelles (au sein de l’Holocène) et différentes zones climatiques. Elles permettent d’illustrer l’apport de la paléobotanique pour comprendre les changements à long terme dans les écosystèmes tourbeux. La nécessité de complémenter les données paléoécologiques par la modélisation pour l’étude des processus régissant les changements à long terme dans les tourbières est aussi discutée.
 

 

Ce projet de recherche a pour objectif de comprendre et décrire les changements climatiques depuis la dernière glaciation dans le golfe de San Jorge (GSJ). Notre étude se base sur l’analyse de 52 échantillons de surface et de 3 carottes sédimentaires prélevés dans le GSJ en 2014 à bord du N/R Coriolis II. Les analyses radiochronologiques (210Pb et 14C) indiquent des vitesses de sédimentation variant de 11 à 23 cm/ka au cours de l’Holocène et de 65 à 90 cm/ka lors de la déglaciation. Dans un premier temps, nous établirons la distribution spatiale des assemblages de dinokystes dans la zone d’étude à partir des échantillons de surface, de même que la distribution spatiale des lits d’espèces toxiques de dinokystes qui servent à initier les floraisons toxiques qui caractérisent le GSJ. L’analyse palynologique de nos échantillons de surface permettra également de déterminer les patrons modernes de dispersion du pollen et des spores dans la zone d’étude. Finalement, les assemblages de pollen & spores des trois séquences sédimentaires permettront de caractériser l’environnement continental adjacent au GSJ, et plus précisément de retracer la migration latitudinale de la ceinture des vents d’ouest dominants et des zones de végétation, alors que les assemblages fossiles de dinokystes permettront de retracer l’évolution des conditions océaniques de surface (température, salinité, glace de mer, productivité) depuis la déglaciation. 
 

Les sédiments de surface de la ride de Lomonosov, traversant l’océan arctique du nord du Groenland à la mer de Laptev à profondeurs supérieures à 700 mètres, se singularisent par une forte concentration de restes biogéniques carbonatés. Outre les microfossiles (foraminifères, ostracodes, etc.), de nombreux restes de dimensions millimétriques à centimétriques sont recensés, notamment des otolithes. Les otolithes des sédiments de surface de 12 carottes boîtes de la ride ont fait l’objet de dénombrement, observations systématiques et identification. Parmi les cent un spécimens dénombrés, 7 espèces ont été identifiées. La plus abondante est Boreogadus saida. Les autres espèces sont Macrourus berglax, Brosme brosme, Icelus spatula, Icelus bicornis, Rondeletia loricata et Triglops murrayi. Il est à noter que B. brosme et R. loricata n’ont jamais été répertoriées dans l’Océan Arctique, selon la littérature. Sur l’ensemble des otolithes, certains spécimens sont intacts mais beaucoup sont altérés, caractérisés par des marges émoussées, de l’oxydation en surface ou des traces de bioérosion ou des encroûtements de polychètes tubicoles. La densité des otolithes semble proportionnelle à la sévérité de leur altération, possiblement due à une exposition de longue durée liée à de faibles vitesses de sédimentation. Des mesures ¹⁴C sur les populations de foraminifères aux sites d’étude tendent en effet à indiquer des vitesses de sédimentation de 0.5 cm à 2 cm par millier d’années.

Forêts et savanes constituent les deux principaux écosystèmes de la zone tropicale, ont un intérêt économique fort pour les populations locales, et fournissent d’importants services écosystémiques. D’un point de vue écologique, cependant, elles sont très contrastées: les forêts, caractérisées par un environnement fermé, sont très sensibles aux perturbations, alors que les savanes, où graminées et arbres coexistent, sont adaptées à la sécheresse, aux feux et à l’herbivorie. Déterminer les forçages responsables de la dynamique à long terme de ces écosystèmes est crucial pour prédire leur réponse aux changements globaux en cours.

L’étude de bio-indicateurs conservés dans des sédiments lacustres permet de reconstruire la végétation, le climat et les perturbations de façon continue. Les pollens d’arbres permettent de reconstruire la dynamique des forêts, tandis que les phytolithes de graminées, grâce à leur grande précision taxinomique, permettent de reconstruire la dynamique des savanes. Peu d’études sur les charbons sédimentaires sont disponibles dans les zones tropicales, mais les dernières avancées méthodologiques montrent que la quantité de particules enregistrée est un bon indicateur des surfaces brûlées et que la morphologie de ces particules permet de retracer le type de combustible, discriminant les feux de forêt des feux de savane. La combinaison de ces bio-indicateurs permet de reconstruire les végétations et leurs perturbations associées pour l’ensemble de l’Holocène.

Les changements climatiques passés représentent généralement le forçage majeur pour les feux, venant souvent occulter l’influence de l’Homme et des sociétés. En Amérique du Nord, l’influence de l’Homme sur les feux avant la colonisation européenne est débattue, principalement en raison d’un manque d’archives et de techniques permettant de discriminer hors de tout doute la contribution respective de l’Homme, du climat et des combustibles (i.e. végétations). À partir de l’étude multidisciplinaire d’un site paléoécologique situé à proximité d’un lieu occupé à différentes époques, nous tenterons d‘évaluer ces forçages. Les incendies ont été reconstruits à partir de l’analyse statistique de séries de charbons de bois à très haute résolution temporelle et spatiale. Les intervalles de retour des incendies sont ensuite comparés aux végétations reconstruites par l’analyse pollinique, aux densités de population déduites de données archéologiques et de modèles technologiques, et au climat issu de modélisations et séries isotopiques. Depuis 1000 ans le climat est relativement stable mais des modifications dans les végétations concomitantes d’une augmentation démographique conduisirent à un allongement de l’intervalle entre les incendies. L’influence de l’Homme sur les incendies, notamment leur suppression, semble donc être un processus à long terme qui commence avec l’essor de l’agriculture amérindienne vers 1000 AD et s’intensifie ensuite avec l’arrivée des Européens. 

Le bassin du Lac Nettilling a connu une invasion marine vers 8000 AP. Les conditions actuelles ont été établies vers 5000 AP. Nous avons utilisé deux indicateurs dans une séquence sédimentaire (35 cm) pour reconstituer les conditions environnementales de derniers 5000 ans. Le modèle d'âge a été établi avec une date radiocarbone et les mesures paléomagnétiques. Des modèles d'inférence paléoenvironnementale (Joynt et Wolfe, 2001) ont été appliqués aux assemblages de diatomées fossiles pour reconstituer la température estivale et annuelle de l’eau. La composition isotopique d'oxygène de la silice biogénique a été utilisée pour reconstituer la température estivale de l'eau. Il existe une bonne corrélation entre les indicateurs (r = 0,40). Cette corrélation est observée dans la partie la plus ancienne de la séquence enregistrant une température plus chaude à la mi-Holocène et la partie récente de la séquence enregistrant des conditions plutôt froides du Petit Âge glaciaire. Au cours de derniers 5000 ans, l'amplitude de la température estivale de l'eau est de l'ordre de 4,9 °C selon les indicateurs biologiques et de l'ordre de 6,5 °C selon les enregistrements isotopiques. Cette amplitude est exprimée par des intervalles de refroidissement; le début de la période Néoglaciaire et le Petit Âge glaciaire. À ce jour, il s'agit de la première étude à combiner des inférences de température de l’eau basées sur des assemblages de diatomées et le signal isotopique de silice biogénique.