Fossiles, crises biologiques et histoire du vivant : lire des archives

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Les fossiles, des archives du vivant

Un fossile est un reste ou une trace d'organisme (coquille, os, empreinte de pas, terrier) conservé dans une roche sédimentaire. La fossilisation est rare : il faut un enfouissement rapide sous des sédiments, souvent des parties dures (coquilles, os, dents), puis une transformation lente de ces sédiments en roche. Les fossiles ne représentent donc qu'une petite partie des êtres vivants du passé : l'enregistrement est incomplet.

Dater les fossiles

Dans une série de couches (strates) non déformée, la couche la plus basse est la plus ancienne : c'est le principe de superposition. Il permet une datation relative (plus ancien que, plus récent que). La datation absolue donne un âge en millions d'années grâce à la radioactivité : on mesure dans certaines roches, surtout magmatiques comme les cendres volcaniques, la quantité d'un élément radioactif et celle de son produit de désintégration. Un fossile est alors daté par encadrement, entre deux niveaux datés. Un fossile stratigraphique appartient à une espèce répandue sur de vastes régions mais qui n'a vécu que pendant une courte durée : sa présence permet de reconnaître un même âge dans des lieux éloignés.

Reconstituer les milieux

Certains fossiles renseignent sur le paléoenvironnement : des coraux constructeurs indiquent une mer chaude, claire et peu profonde, des fougères des milieux continentaux humides. Comparer avec des êtres actuels de même type permet ces déductions, avec prudence.

Biodiversité et crises biologiques

La biodiversité se mesure notamment par le nombre d'espèces présentes à une époque. Une crise biologique (ou extinction massive) est la disparition, à l'échelle de la planète et en un temps géologiquement court, d'une grande proportion des espèces. Cinq grandes crises sont reconnues, à la fin de l'Ordovicien, du Dévonien, du Permien (il y a environ 252 millions d'années), du Trias et du Crétacé (il y a environ 66 millions d'années). Les causes proposées font intervenir un volcanisme intense, des changements climatiques et des changements de composition des océans, ou l'impact d'une météorite, souvent en combinaison.

Après une crise, les milieux libérés sont colonisés par les groupes survivants, qui se diversifient. Les mutations de l'ADN apparaissent au hasard : elles ne surviennent pas pour répondre à un besoin. Ce sont les conditions du milieu qui trient (sélection naturelle) les caractères héréditaires déjà présents.

Exemple analysé : la limite entre Crétacé et Paléogène

Dans des coupes de roches marines du monde entier, on observe sous une fine couche d'argile de nombreux fossiles d'ammonites et de microorganismes marins ; au-dessus de cette couche, les ammonites sont absentes et la diversité est réduite. Cette argile contient beaucoup plus d'iridium, un élément rare dans la croûte terrestre, que les couches voisines. Raisonnement : (1) la superposition place la crise entre deux niveaux précis ; (2) la présence de la même couche dans des lieux éloignés indique un événement mondial ; (3) l'iridium est compatible avec un impact, mais un volcanisme intense à la même époque est aussi étudié. Les données permettent de dater la crise et de la dire mondiale ; elles ne permettent pas, seules, d'attribuer toute la disparition à une unique cause.

Un piège à éviter

Ne pas confondre absence de fossile et absence d'organisme. Une espèce peut manquer dans une strate parce qu'elle n'a pas été fossilisée, parce que la couche est mince ou parce que le milieu a changé, et non parce qu'elle a disparu. Une extinction se conclut seulement quand l'espèce manque dans toutes les couches plus récentes, dans plusieurs lieux. De même, deux événements simultanés (corrélation) ne prouvent pas que l'un cause l'autre.

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Situation-problème : une limite dans la carrière de Valmont

Une classe étudie la carrière fictive de Valmont, où cinq strates marines non déformées se superposent. Les élèves veulent savoir si les fossiles révèlent une crise biologique entre les strates S3 et S5, quelle en est l'ampleur et si les mesures permettent d'en proposer une cause. Ils disposent d'un recensement d'espèces fossiles, de mesures chimiques et d'un compte rendu d'observation. Votre mission : dater, quantifier puis argumenter, en précisant ce que les données permettent de conclure et ce qu'elles ne permettent pas de conclure. Toutes les valeurs sont des données pédagogiques simplifiées.

Document 1 : recensement des fossiles marins par strate (Données pédagogiques simplifiées)

Les strates ne sont pas déformées. Le volume de roche examiné par mètre d'épaisseur est identique pour toutes les strates.

Document 2 : compte rendu d'observation et mesures (Données pédagogiques simplifiées)

Dans S4, les élèves observent une argile grise de 5 cm, sans terrier visible, contenant de minuscules sphères de verre. Les 3 espèces recensées dans S4 sont des microorganismes marins présents aussi dans S3 et dans S5. Dans S5, 12 des 19 espèces étaient déjà présentes dans S3 ; les 7 autres n'apparaissent dans aucune strate plus ancienne. Une seconde carrière, située à 3 000 km, présente la même succession : une argile de 4 cm sans ammonites, reposant sur des strates riches en ammonites. Le professeur rappelle que l'iridium est rare dans la croûte terrestre et plus abondant dans certaines météorites.

Exercice 1 : lire et dater les archives

1. Indiquer quelle strate du Document 1 est la plus ancienne et justifier avec le principe utilisé, en précisant la condition nécessaire sur les couches.
2. Décrire l'évolution du nombre d'espèces recensées de S1 à S5, en citant les valeurs de S3, S4 et S5.
3. Relever ce qu'il advient des ammonites et donner l'intervalle d'âge dans lequel se situe leur dernière présence.
4. Expliquer pourquoi l'âge de S4 est obtenu par encadrement.

Exercice 2 : quantifier la crise

1. Calculer le pourcentage de diminution du nombre d'espèces entre S3 et S5.
2. Calculer la vitesse moyenne de dépôt, en mètres par million d'années, pour S3 puis pour S5. Que permet de conclure leur comparaison pour la fiabilité du recensement ?
3. D'après le Document 2, calculer le nombre puis le pourcentage d'espèces de S3 absentes de S5. Pourquoi ce résultat diffère-t-il de celui de la question 1 ?
4. Calculer de combien de fois la teneur en iridium de S4 dépasse celle de S3 à Valmont.

Exercice 3 : argumenter à partir des deux documents

1. Un élève pense que la chute de diversité s'explique seulement parce que S4 est mince et donc peu étudiée. Utiliser les Documents 1 et 2 pour discuter cette idée.
2. Montrer en quoi la seconde carrière renforce l'idée d'une crise mondiale plutôt que locale.
3. Un autre élève écrit : « L'iridium prouve qu'une météorite a fait disparaître toutes les ammonites. » Relever deux limites de cette affirmation.
4. Expliquer l'apparition des 7 espèces nouvelles de S5 sans dire que les organismes ont muté pour s'adapter.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. La strate S1 est la plus ancienne : elle est la plus basse et son âge est le plus grand (70 à 69 millions d'années). On utilise le principe de superposition : dans une série non déformée, la couche du bas est la plus ancienne. La condition est que les strates n'aient été ni renversées ni plissées, ce que l'énoncé précise.
2. Le nombre d'espèces diminue lentement de S1 à S3 (62, 58 puis 50), chute à 3 en S4, puis remonte partiellement à 19 en S5, valeur très inférieure à celle de S3.
3. Les ammonites passent de 14, 12 et 10 espèces en S1, S2 et S3 à 0 en S4 et en S5. Leur dernière présence est en S3, soit entre 67 et 66 millions d'années. Leur absence au-dessus évoque une disparition, qu'il faut confirmer dans d'autres lieux.
4. S4 repose sur S3 (67 à 66) et est recouverte par S5 (66 à 64) : son âge est situé entre ces deux niveaux datés, autour de 66 millions d'années, sans être mesuré directement.

Critères de réussite : condition de non-déformation citée ; valeurs chiffrées utilisées ; distinction entre âge mesuré et âge encadré.

Exercice 2 : correction

1. Diminution = (50 − 19) ÷ 50 × 100 = 31 ÷ 50 × 100 = 62 %.
2. S3 : 5 m ÷ 1 million d'années = 5 m/Ma. S5 : 10 m ÷ 2 millions d'années = 5 m/Ma. Les vitesses sont identiques : S5 est deux fois plus épaisse car elle dure deux fois plus longtemps. Comme le volume examiné par mètre est le même, on a examiné plus de roche en S5 qu'en S3 et pourtant trouvé moins d'espèces : la baisse ne s'explique pas par un recensement moins poussé.
3. Espèces de S3 absentes de S5 : 50 − 12 = 38 espèces, soit 38 ÷ 50 × 100 = 76 %. Ce résultat diffère de 62 % car la question 1 compare deux totaux (bilan net), alors que S5 contient 7 espèces nouvelles : 50 − 38 + 7 = 19. Le taux de disparition est donc plus élevé que la baisse nette.
4. 6 ÷ 0,03 = 200 : la teneur de S4 est 200 fois plus élevée que celle de S3.

Critères de réussite : formules posées, unités (%, m/Ma, ng/g) indiquées, différence entre bilan net et disparitions expliquée.

Exercice 3 : correction

1. L'idée est en partie juste : S4 ne mesure que 5 cm et ses 3 espèces ne suffisent pas à l'interpréter seule. Mais la baisse concerne surtout S5, épaisse de 10 m, soit deux fois plus que S3, avec la même vitesse de dépôt et le même effort par mètre. S5 ne contient que 19 espèces et aucune ammonite, ce qui contredit l'explication par un simple manque d'étude. Une absence de fossile reste toutefois possible pour une espèce isolée.
2. La seconde carrière, à 3 000 km, montre la même succession : une argile fine sans ammonites reposant sur des strates riches en ammonites, et un pic d'iridium (5 ÷ 0,04 = 125 fois la teneur de la strate inférieure). Un même enregistrement en deux lieux éloignés est cohérent avec un événement mondial. Avec deux sites seulement, on ne peut pas affirmer l'universalité.
3. Première limite : un pic d'iridium coïncidant avec la disparition est une corrélation, qui ne démontre pas une causalité ; il est compatible avec un impact, mais d'autres causes, comme un volcanisme intense ou un changement climatique, peuvent s'ajouter. Seconde limite : « toutes » est excessif, car deux sites seulement ne permettent pas de conclure que toutes les ammonites du monde ont disparu (une absence de fossile n'est pas une preuve d'extinction). De plus, la crise n'a pas éliminé toutes les espèces : 12 espèces de S3 sont encore présentes en S5.
4. Les mutations apparaissent au hasard et non pour répondre à un besoin. Après la crise, des milieux libérés et moins concurrentiels favorisent les survivants dont les caractères héréditaires conviennent aux nouvelles conditions : ils se reproduisent davantage (sélection naturelle). Sur de longues durées, leurs descendants forment des espèces nouvelles. Certaines espèces nouvelles de S5 ont aussi pu arriver d'une autre région.

Critères de réussite : arguments appuyés sur des valeurs des deux documents ; distinction entre corrélation et causalité ; limites de conclusion explicites ; absence de finalisme dans l'explication de l'évolution.