Afrique du Sud : Mystère résolu – Quand les ancêtres des mammifères sont devenus à sang chaud

Les mammifères et les oiseaux produisent leur propre chaleur corporelle et contrôlent leur température corporelle. Ce processus est connu sous le nom d’endothermie, ou sang chaud, et c’est peut-être l’une des raisons pour lesquelles les mammifères ont tendance à dominer presque tous les écosystèmes mondiaux. Les animaux à sang chaud sont plus actifs de jour comme de nuit que leurs homologues à sang froid et se reproduisent plus rapidement.

Mais jusqu’à présent, on ne savait pas exactement quand l’endothermie est née dans l’ascendance des mammifères. Notre nouvelle étude, qui vient d’être publiée dans Nature, change cela. Une combinaison de l’intuition des scientifiques, de fossiles de la région du Karoo en Afrique du Sud et d’une technologie de pointe a fourni la réponse : l’endothermie s’est développée chez les ancêtres des mammifères il y a environ 233 millions d’années au cours de la période du Trias supérieur.

L’origine de l’endothermie des mammifères a été l’un des grands mystères non résolus de la paléontologie. De nombreuses approches différentes ont été utilisées pour tenter de trouver la réponse, mais elles ont souvent donné des résultats vagues ou contradictoires. Nous pensons que notre méthode est très prometteuse car elle a été validée sur un très grand nombre d’espèces modernes. Cela suggère que l’endothermie a évolué à une époque où de nombreuses autres caractéristiques du plan corporel des mammifères se mettaient également en place.

Le sang chaud est la clé de ce qui fait des mammifères ce qu’ils sont aujourd’hui. L’endothermie a probablement été le point de départ de l’évolution du mammifère : l’acquisition d’un manteau de fourrure isolant ; l’évolution d’un cerveau plus gros, alimenté en sang plus chaud ; un taux de reproduction plus rapide ; et une vie plus active définissent tous les traits des mammifères qui ont évolué en raison du sang chaud.

Jusqu’à présent, la plupart des scientifiques avaient émis l’hypothèse que la transition vers l’endothermie était un processus graduel et lent sur des dizaines de millions d’années commençant près de la limite permo-triasique, bien que certains aient suggéré qu’elle se soit produite plus près de l’origine des mammifères, il y a environ 200 millions d’années. .

En revanche, nos résultats suggèrent qu’il est apparu chez les ancêtres des mammifères quelque 33 millions d’années avant l’origine des mammifères. La nouvelle date est cohérente avec les découvertes récentes selon lesquelles de nombreux traits généralement associés au « mammifère », tels que les moustaches et la fourrure, ont également évolué plus tôt que prévu. Et d’après nos résultats, l’endothermie a évolué très vite sur le plan géologique, en moins d’un million d’années. Nous suggérons que le processus pourrait avoir été déclenché par de nouvelles voies métaboliques de type mammifère et l’origine de la fourrure.

L’intuition des scientifiques

Notre recherche a commencé avec l’intuition du Dr Araújo et du Dr David sur l’oreille interne. C’est plus que l’organe de l’ouïe : il abrite aussi l’organe de l’équilibre, les canaux semi-circulaires.

Les trois canaux semi-circulaires de l’oreille interne sont orientés dans les trois dimensions de l’espace. Ils sont remplis d’un fluide qui s’écoule dans les canaux lorsque la tête bouge et active les récepteurs pour indiquer au cerveau la position tridimensionnelle exacte de la tête et du corps. La viscosité ou l’écoulement de ce liquide (appelé endolymphe) est essentielle à la capacité de l’organe de l’équilibre à détecter efficacement la rotation de la tête et à aider l’équilibre.

De la même manière qu’un morceau de beurre passe de solide à liquide dans une casserole chaude, ou que le miel s’épaissit lorsqu’il fait froid, la viscosité de l’endolymphe change avec la température corporelle. Cela signifie que la viscosité de l’endolymphe serait normalement modifiée par l’évolution d’une température corporelle plus élevée. Mais le corps doit s’adapter car changer de viscosité empêcherait le bon fonctionnement des canaux semi-circulaires. Chez les mammifères, les canaux s’adaptent à une température corporelle plus élevée en modifiant leur géométrie.

Les chercheurs ont réalisé que ce changement de forme des canaux semi-circulaires serait facile à retracer à travers le temps géologique à l’aide de fossiles. Selon eux, identifier les espèces dans lesquelles le changement de géométrie s’est produit fournirait un guide précis du moment où l’endothermie a évolué.

Ils avaient besoin de fossiles pour tester leur hypothèse – et c’est là que la richesse des fossiles de l’Afrique du Sud de la région du Karoo est entrée en jeu.

Reconstitution et étude

La région aride du Karoo conserve un trésor de fossiles, dont beaucoup appartiennent à des ancêtres mammifères. Ces fossiles offrent un enregistrement ininterrompu de l’évolution de la vie sur une période de près de 100 millions d’années. Ils documentent la transformation d’animaux ressemblant à des reptiles (thérapsides) en mammifères avec des détails exquis.

À l’aide de techniques de tomodensitométrie et de modélisation 3D de pointe, nous avons pu reconstruire l’oreille interne de dizaines d’ancêtres mammifères du Karoo sud-africain et d’ailleurs dans le monde. À partir de là, nous avons pu indiquer exactement quelles espèces avaient une anatomie de l’oreille interne compatible avec une température corporelle plus élevée, et lesquelles n’en avaient pas.

Une chose que nous devions prendre en considération était la position géographique du Karoo à l’époque où vivaient ces animaux. Il était situé plus près du pôle Sud qu’il ne l’est maintenant en raison de la dérive des continents. Cela signifie que la température corporelle plus chaude suggérée par la géométrie de l’oreille interne ne peut pas être due à un climat globalement plus chaud. Comme le climat sud-africain était plus froid en moyenne, le changement de viscosité du liquide de l’oreille interne ne peut avoir été causé que par une température corporelle généralement plus chaude chez les ancêtres des mammifères.

Une période passionnante

C’est une période passionnante pour notre domaine. Jusqu’à présent, pour reconstituer l’évolution de l’endothermie, les scientifiques n’avaient accès qu’aux caractéristiques squelettiques qui étaient corrélées de manière douteuse avec le sang chaud. Chaque tentative était un long shot pour obtenir des résultats précis. L’oreille interne, comme le montre cette recherche, change cela. Nous pensons que cela pourrait être la clé pour débloquer plus de connaissances sur les ancêtres des mammifères à l’avenir.

Ricardo Miguel Nóbrega Araújo, chercheur junior, Universidade de Lisboa

Julien Benoit, chercheur senior en paléontologie des vertébrés, Université du Witwatersrand

Romain David, chercheur postdoctoral, Muséum d’histoire naturelle

Kenneth D. Angielczyk, chargé de cours, Université de Chicago