2. CAUSALITES DES EXTINCTIONS

3. Plan Extinctions ponctuelles Extinctions globales Causes initiales astrophysiques, astronomiques, telluriques, biologiques Causes principales exceptionnelles, impacts, volcanisme de trapp, supervolcans classiques, variations climatiques, modifications paléogéographiques Causes secondaires variations eustatiques, chimisme des eaux, compétitions

4. Introduction Il convient de bien distinguer : - Les causes évoquées pour expliquer des extinctions ponctuelles - Les causes évoquées pour expliquer les extinctions plus globales

5. Extinctions ponctuelles Causes des extinctions ponctuelles, souvent progressives … Intrinsèques, extrinsèques, ou une combinaison des deux … Nous pouvons citer :

6. - mutations génétiques létales … - dérive génique … - spécialisation alimentaire … (cf. panda, cf. koala …) … - accumulation de mutations génétiques … - essoufflement génétique (cf. céphalopodes, cf. guépard …) - spécialisation comportementale … - spécialisation hyperthélique … - spécialisation adaptative (cf. aptères, cf. rhinoceros …) …

7. - compétition dans les mêmes niches écologiques … - prédation … - isolement …(reproductif, géographique, climatique, éthologique …) … - insularisme … - pression de l’environnement … - non adaptation au milieu … - sélection naturelle (par le milieu) …

8. Compétition

9. Sélection du milieu Gryphée Megaceros Titanothère Tigre à dent de sabre

10. C’est aussi ce que l’on a pu constater avec … Phalènes du bouleau Biston betularia

11. Extinctions globales Causes des extinctions plus globales, souvent plus brutales … Tout a été avancé sur les causes de ces extinctions, en particulier sur celle des dinosaures …, des plus sérieuses aux plus farfelues, parfois même contradictoires … A titre anecdotique …

12. - Diversification des angiospermes … plantes à poison … constipation … empoisonnement … - Taille … problèmes de régulation thermique … morts de froid … ou de chaud … - Taille …hypophyse … dérèglement hormonal … stérilité … - Diversification des papillons … chenilles … diminution des végétaux … mort de faim … - Problèmes de coquilles d’œufs … trop minces … trop épaisses …

13. Les causes évoquées pour les extinctions de masse doivent pouvoir expliquer les phénomènes dans leur globalité, ne pas se focaliser sur un seul groupe, tenir compte des extinctions différentielles, les unes progressives, les autres plus brutales, observées dans différents groupes, de tailles variées, et de différents domaines

14. Une crise est un événement complexe « Crime de l’Orient Express » dans laquelle interviennent plusieurs causes, concomitantes ou échelonnées dans le temps, plus ou moins liées les unes aux autres.

16. cf. superposition extinction mineure/crise

17. Parmi les causes extrinsèques des extinctions globales on reconnait … Causes initiales Causes principales Causes secondaires

18. Causes initiales Les causes initiales extrinsèques évoquées sont de plusieurs types : Causes astrophysiques (cf. galaxie) Causes telluriques (cf. terre) Causes astronomiques (cf. système solaire) Causes biologiques

19. Causes astrophysiques Causes telluriques Causes astronomiques Causes biologiques Causes initiales Causes principales Causes secondaires Rotation galactique Oscillations Activité solaire Paramètres orbitaux Activité du noyau Evolution géodynamique Exceptionnelles Classiques

20. astrophysiques Causes astrophysiques … cf. galaxie - Rotation du soleil dans la galaxie - Révolution sinusoïdale du soleil de part et d’autre du plan galactique ? - Impacts d’astéroïdes - Variations climatiques

21. Rotation du soleil dans notre galaxie

22. Période Bras spiral/Inter bras 50 Ma ?

23. Plan galactique Le soleil (donc la Terre) traverserait ce plan tous les 26-31 Ma ? Mouvement sinusoïdal par rapport au plan galactique

24. ?

27. astronomiques Causes astronomiques … cf. système solaire - Activité du soleil - Variations des paramètres orbitaux de la Terre - Variations climatiques

28. Activité du soleil Les cycles solaires (cf. tâches solaires et inversions de champ magnétique) ont une période moyenne de premier ordre d’environ 11 ans. Minimum de Maunders

29. Il existe un lien (mal connu) entre cycles solaires et climats terrestres (cf. minimum de Maunders au Moyen-âge)

34. La conséquence terrestre aux variations des paramètres orbitaux de la terre : Les cycles climatiques

35. Milankovitch a montré que l’interaction des trois paramètres (excentricité, obliquité, précession) était à l’origine des grands cycles climatiques de la terre (10 000 ans, 125 000 ans, 100 Ma)

37. Milankovitch, entre 1930 et 1940, n’a pas été suivi par l’ensemble de la communauté scientifique Les nombreux carottages effectués dans les glaces arctiques et antarctiques ainsi que ceux effectués récemment dans le fond du Pacifique au nord des îles Salomon lui donnent maintenant raison. Les périodes chaudes sont en jaune les froides en bleu. % en isotopes 18 .

40. telluriques Causes telluriques … cf. terre - Magmatisme profond (cf. activité du noyau) - Evolution géodynamique (cf. tectonique des plaques) - Modifications paléogéographiques - Variations eustatiques - Modifications du chimisme des eaux - Volcanisme de trapp - Variations climatiques

41. Magmatisme profond Activité réduite du noyau Augmentation de volume de la couche D Panaches mantelliques  Volcanisme intense de trapp  Variations climatiques

46. • magmatisme de dorsale (formation de croûte océanique) responsable de la « dérive des continents » • magmatisme/volcanisme

47. biologiques Causes biologiques … - Variations climatiques L’activité photosynthétique absorbe le CO2

48. Le développement de la forêt houillère au Carbonifère a diminué l’effet de serre et entraîné l’aridité permienne

49. Causes astrophysiques Causes telluriques Causes astronomiques Causes biologiques Causes initiales Causes principales Causes secondaires Rotation galactique Oscillations Activité solaire Paramètres orbitaux Activité du noyau Evolution géodynamique Exceptionnelles Classiques

50. Causes principales Les causes principales sont de deux types : Causes exceptionnelles Causes classiques

51. Causes astrophysiques Causes telluriques Causes astronomiques Variations climatiques Impacts d’astéroïdes Modifications paléogéographiques Volcanisme de trapp Causes biologiques Causes initiales Causes principales Causes secondaires Rotation galactique Oscillations Activité solaire Paramètres orbitaux Activité du noyau Evolution géodynamique Exceptionnelles Classiques

52. Causes exceptionnelles … - Variations climatiques Impacts d’astéroïdes Volcanisme de trapp

53. Deux causes proposées suite à la découverte, à la limite K/T, d’une anomalie en iridium … Deux causes aux effets induits quasi similaires … d’où une polémique …

54. Les effets induits … Enormes quantités de poussières, gaz et aérosols … Obscurité …  refroidissement  réchauffement Modification du chimisme des eaux  baisse de productivité cf.  18 O cf.  13 C cf.  CaCO 3  conditions anoxiques

55. Rupture de la chaîne trophique … Ralentissement sévère ( voire arrêt ) de la photosynthèse Extinctions différentielles …

58. Comment faire la part des choses ?

59. Impacts d’astéroïdes

60. Earth Impact Database !

62. Tectites … Quartz choqués … Magnétites nickélifères … Cônes de pression … Tsunamites … Brèches … Diamants … Acides aminés … Extinctions brutales … Suie … PREUVES DES IMPACTS … Cratère(s) … Anomalies en iridium et autres métaux … Onde de choc …

63. Tectites, microtectites, sphérules, larmes …

64. Quartz choqués

66. Magnétites nickélifères

67. Anomalies en iridium et autres métaux … Anomalie positive en iridium … mais couplée avec des anomalies négatives en chrome et nickel …

68. Micro-diamants … … aux dépends du graphite des gneiss, quand la pression atteint 500 à 700 kb (cf. Popigaï, Ries, …)

69. Acides aminés … ... comme par exemple l’acide butyrique ou l’isovaline racémique … absents sur terre mais présents dans des chondrites …

70. Suie … Hydrocarbures aromatiques … Combustion d’arbres … … embrasement de l’atmosphère par l’échauffement des particules projetées. La température a pu monter localement à plus de 400° C … d’où des incendies de forêts

71. Ondes de choc … … pouvant coucher la végétation (cf. Tunguska) … en 1938, à 200 km … … à plus de 20 km/s avec des vents à 500 km/h à plus de 1000 km de l’impact

72. Cônes de pression … … ou cônes de percussion (shatter cone)

73. Brèches … … de dislocation … de retombée

74. Tsunamites

75. L’hypothèse des impacts permet d’expliquer le caractère brutal de certaines extinctions cf. spores/pollens ainsi que les extinctions de masse par empoisonnement et gaz nocifs

76. La participation d’un (ou de plusieurs) impact(s) dans une crise est : - confirmée pour la crise K/T - probable pour la crise fini-triasique - envisagée pour la crise fini-dévonienne - envisagée pour la crise fini-permienne - envisagée pour une crise pré-édiacarienne

77. Volcanisme de trapp  poussières, aérosols, gaz dont CO 2 et SO 2  variations eustatiques (si domaine océanique)  modifications du chimisme des eaux  variations climatiques

80. Pomerol, 492

83. Transgressions … Extinctions progressives … PREUVES DU VOLCANISME … Trapps … Anomalies en iridium et autres métaux … Couche d’argile … Absence d’inversion magnétique …

84. Anomalies en iridium et autres métaux … Anomalie positive en iridium … … mais couplée avec des anomalies positives en arsenic, antimoine ( ± zinc, cadmium, mercure, selenium, indium …)

85. Couche d’argile … (sans carbonates) … qui pourrait provenir de l’altération de cendres volcaniques

86. Absence d’inversion magnétique … Un volcanisme profond de type trapp est du à un déséquilibre à l’interface manteau/noyau, provoqué semble-t-il par une augmentation de volume de la couche D, ce qui ne pourrait intervenir qu’à la suite d’une activité réduite du noyau, ce qui peut être confirmé par l’absence d’inversion de champ magnétique

87. Transgressions … D’énormes épanchements sous-marins entraînent, au moins localement, des montées du niveau marin

88. L’hypothèse d’un volcanisme intense de trapp permet d’expliquer le caractère progressif de certaines extinctions

89. La participation d’un volcanisme de trapp dans une crise est : - confirmée pour la crise K/T - confirmée pour la crise fini-permienne Sibérie (P/T) Deccan (K/T)

90. Trapp du Deccan, limite K/T Environ 500 000 km 2 (  France) Plus de 1 million de km 3 Parfois sur plus de 2000 m d’épaisseur Plusieurs phases sur 2 millions d’années

93. Trapp de Sibérie, limite P/T Environ 2 500 000 km 2 (  5 x France) 1 million de km 3 Parfois sur plus de 3700 m d’épaisseur

96. CO 2 Métaux lourds et autres composés chimiques modifient la composition des sols, de l’air et de l’eau Si épanchement en milieu océanique, chaleur, activité hydrothermale, volume des émissions, entraînent variations du niveau des mers, modifications topographiques et modification du chimisme des eaux

97. Volcanisme de super-volcans

98. Explosion VEI 8

99. Ces super-volcans semblent peu nombreux Taupo Toba Aira Yellowstone Valle Grande Long Valley ? ?

100. Caldeira 100 x 60 km Tambora – Lac Toba 74 000 ans

101. Long Valley Taupo Yellowstone

104. L’implication de super-volcans dans des crises mineures est parfois évoquée … - En Amérique du Nord, dans l’hécatombe, il y a 10 Ma, de plusieurs centaines de rhinocéros, chameaux, chevaux, tortues et lézards à Orchard (ensevelissement sous 2 m de cendres à plus de 1600km du super-volcan de Bruno-Jarbridge)

105. Or BJ

106. - En Indonésie … « Goulot d’étranglement », c’est-à-dire taille de la population initiale … Toba, Tambora 74 000 ans

107. Causes classiques … - Variations eustatiques Variations climatiques Modifications paléogéographiques majeures - Modifications du chimisme des eaux - Compétitions

108. Variations climatiques Chaque espèce est adaptée à un intervalle bien précis de température Une élévation des moyennes … ou un abaissement des températures peut donc être fatal, à l’échelle planétaire, pour un grand nombre d’espèces, du milieu marin comme du milieu continental

109. Une variation de température entraîne également, compte tenu de la zonation climatique latitudinale, des migrations de faunes - refroidissement, migration des faunes septentrionales vers l’équateur - réchauffement, migration des faunes équatoriales vers les zones tempérées Compétitions Extinctions

110. Ainsi, dans le cas d’un refroidissement (glaciation réelle ou induite), on constate : - La disparition d’un grand nombre de formes tropicales (intolérance au froid) - La migration des faunes septentrionales vers l’équateur (recherche de l’optimum climatique) (compétitions accrues et disparition de certains groupes) - La disparition d’un grand nombre de formes fixées compte tenu de l’abaissement du niveau marin - La disparition d’un certains nombre de formes compte tenu de la compétition accrue sur une plateforme réduite

111. Les variations climatiques terrestres dépendent - de l’activité du soleil (cf. tâches solaires) - de paramètres astrophysiques (cf. quantité de poussières, révolution du soleil) - de paramètres astronomiques (cf. distance au soleil, obliquité, excentricité, précession : cycles de Milankovitch) - de paramètres telluriques (cf. tectonique des plaques : cycles de Wilson) - de paramètres biologiques (cf. forêt houillère puis aridité permienne)

112. Il y a donc eu 5 périodes de glaciation sur les derniers 650 000 ans Les périodes chaudes sont en jaune, les froides en bleu. % en isotopes 18 .

113. … et à plus grande échelle, des périodes de « green house » et de « ice house »

117. Les glaciations sont surtout révélées : - Par les rapports isotopiques de l’oxygène - Par la répartition des tillites - Par la flore - Par les migrations de faunes - Par les rapports isotopiques du carbone

118. Répartition des tillites …

119. Migrations de faunes …

120. Rapports isotopiques de l’oxygène …  18 O  0  18 O moins faible + 16 O Période inter glaciaire  18 O > 0  18 O faible + 15 O Période glaciaire Dans les tests calcitiques Dans les glaces

121. Rapports isotopiques du carbone …

122. Flore … Augmentation d’arbres à feuilles dentelées par rapport aux arbres à feuilles lisses

123. Les glaciations comme cause participative aux extinctions sont évoquées : - pour la crise fini-ordovicienne - pour la crise fini-dévonienne - pour la crise K/T - pour les crises tertiaires

124. Modifications paléogéographiques majeures La tectonique des plaques, par le jeu des divergences et des convergences, peut : - fragmenter des ensembles fauniques avec éventuellement disparition de groupes isolés - rapprocher et mettre en compétition des groupes différents avec éventuellement disparition de certains d’entre eux (cf. grand échange inter-américain) - isoler des ensembles fauniques avec éventuellement diversification et radiation adaptative en l’absence de concurrents (cf. marsupiaux australiens)

125. Mais elle est également responsable : - de la répartition des masses continentales (compacité/éclatement)  Modifications des circulations océaniques  Modifications des circulations atmosphériques  Modifications du climat

126. - de la surface des mers épicontinentales et des plateaux, par le jeu de la longueur et de la largeur … - de l’orientation de ces surfaces …

127. Or il existe un lien entre surface et biodiversité Et paradoxalement, il peut y avoir disparitions d’espèces terrestres dans le cas d’une augmentation de la surface des terres émergées

128. - de la position des supercontinents  Effet continental de glaciation si centré sur pôle  Effet continental d’aridité si centré sur équateur

129. Wilson a montré qu’il y a eu alternance de regroupements et d’éclatements de super-continents Le cycle en serait de 200-250 Ma (ou 400-500 Ma) Pangea vers – 200 Ma Super-continent Ordovicien Pannotia vers 600-650 Ma Rodinia vers 1,1 Ga Columbia vers 1,5-1,8 Ga

130.  Erosion  Modifications du chimisme des eaux - de l’ouverture ou la fermeture de bassins  Transgressions, Erosion  Variations eustatiques - des orogénèses  Modifications du climat (par combinaison des silicates de calcium érodés avec le CO 2 atmosphérique, d’où un effet de serre atténué et une baisse de T°)  Régressions, Ruissellement  Modifications du chimisme des eaux - du volcanisme accru (des dorsales, des arcs …)  Emission de CO 2  Modifications du climat (effet de serre accentué)

131. Plus la quantité de CO2 est élevée, plus la température augmente et plus il y a d'altération chimique (Walker, 1981). Plus il y a d'altération chimique, plus la température baisse, plus la quantité de CO2 baisse, ce qui mène à des ères glaciaires (Raymo, 1997). L’influence du CO2 se ferait sur des périodes d’une centaine d’années Il existe un lien climat-CO2-érosion

132. La tectonique des plaques et les modifications paléogéographiques sont évoquées : - pour les crises édiacarienne et burgessienne … - pour la crise intra-permienne … - pour la crise fini-triasique … - pour la crise Paléogène …

133. On peut encore évoquer : - La fréquence des inversions du champ magnétique

134. La fréquence des inversions du champ magnétique A chaque inversion la magnétosphère peut s’annuler et la terre n’est plus protégée des particules cosmiques, ce qui peut entraîner un accroissement des mutations. Accroissement d’autant plus important que les particules ionisées entrant dans la stratosphère dissocieraient l’azote qui se combinerait avec l’oxygène pour donner des acides nitriques. Il en résulterait la destruction de la couche d’ozone, d’où le passage des ultraviolets.

135. Causes astrophysiques Causes telluriques Causes astronomiques Variations climatiques Impacts d’astéroïdes Modifications paléogéographiques Volcanisme de trapp Causes biologiques Causes initiales Causes principales Causes secondaires Rotation galactique Oscillations Activité solaire Paramètres orbitaux Activité du noyau Evolution géodynamique Exceptionnelles Classiques

136. Causes secondaires Les causes secondaires - Compétitions - Variations eustatiques - Modifications du chimisme des eaux

137. Causes astrophysiques Causes telluriques Causes astronomiques Variations climatiques Impacts d’astéroïdes Modifications paléogéographiques Volcanisme de trapp Compétitions Causes biologiques Causes initiales Causes principales Causes secondaires Rotation galactique Oscillations Activité solaire Paramètres orbitaux Activité du noyau Evolution géodynamique Variations eustatiques Modifications du chimisme des eaux Exceptionnelles Classiques

138. Variations eustatiques Variations eustatiques … Les régressions, par le retrait des mers épicontinentales, restreignent l’extension des plateformes marines pour ne laisser qu’une frange étroite en bordure des continents  Extinction massive des organismes fixés  Réduction du nombre des niches écologiques, d’où compétition accrue, disparition de certains groupes  Modifications du chimisme des eaux (cf. ruissellement, érosion, lessivage, remise en circulation du carbone organique, oxydation, abaissement du C13, anoxie)  Modifications climatiques par augmentation des surfaces émergées

139. Les régressions dépendent - des refroidissements climatiques (cf. glaciations) - de la tectonique des plaques (cf. fermeture de bassins; cf. ouverture de bassins; cf. apparition de grands fonds océaniques)

140. Les transgressions, par la montée du niveau des eaux, entraînent une activation de l’érosion  Modifications du chimisme des eaux (érosion …)  Modifications climatiques par diminution des surfaces émergées  Extinction d’organismes fixés « noyés »

141. Les transgressions dépendent - des réchauffements climatiques (cf. …) - de la tectonique des plaques (cf. fermeture de bassins; cf. augmentation du volume des dorsales; cf. grands épanchements volcaniques sous-marins)

142. Les variations eustatiques ont joué un rôle : - dans la crise permo-triasique … - dans la crise K/T … … et dans de nombreuses extinctions de moindre importance

145. Modifications du chimisme des eaux Modifications du chimisme des eaux … Nous avons déjà vu que cela pouvait être du : - à l’érosion (orogénèses, régressions …) - au volcanisme (dorsales, épanchements …) - au développement des végétaux (plantes vasculaires du Dévonien, forêts houillères du Carbonifère …)

147. Ces faciès noirs anoxiques (OAE, Oceanic Anoxic Events) sont surtout connus au Cambrien inférieur, au Dévonien supérieur et au Crétacé inférieur

149. … ainsi qu’à la teneur en calcium. Celui-ci provient à la fois des continents mais aussi de l’hydrothermalisme … d’où plus ou moins de biocalcification, d’organismes récifaux et de plate-formes carbonatées … qui jouent un rôle dans l’absorption du CO 2 …

151. … ou à la salinité de l’eau Aridité, évaporites, baisse de la salinité (cf. Permien) … … et extinction des organismes sténohalins comme ceux du milieu récifal

152. Compétitions Compétitions … Elles sont importantes : - à la limite Primaire/Secondaire (cf. déclin des brachiopodes au profit des lamellibranches) (cf. amphibiens au profit des reptiles) - à la limite Eocène/Oligocène ( cf. grande coupure ) (cf. renouvellement complet des formes archaïques de mammifères … cf. plésiadapiformes …) - à la limite Pliocène/Pléistocène ( cf. grand échange ) (cf. disparition des mammifères d’Amérique du Sud suite à l’envahissement par les faunes d’Amérique du Nord)

156. Causes astrophysiques Causes telluriques Causes astronomiques Variations climatiques Impacts d’astéroïdes Modifications paléogéographiques Volcanisme de trapp Compétitions Causes biologiques Causes initiales Causes principales Causes secondaires Rotation galactique Oscillations Activité solaire Paramètres orbitaux Activité du noyau Evolution géodynamique Variations eustatiques Modifications du chimisme des eaux Exceptionnelles Classiques

157. On peut encore évoquer … - l’intensité du champ magnétique

158. Conclusion En résumé …

159. Références 1) Francis Lethiers (1998) - Evolution de la biosphère et événements géologiques, Gordon and Breach Science Publishers, 321 p., 224 fig.