couplage des événements biologiques et géologiques...

Séquence 6-SN02 177

> Couplage des événements biologiques et géologiques au cours du temps

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Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

A La crise Crétacé – Tertiaire : une crise biologique célèbre

� Roches, temps et évolution biologique : la notion de crise

� Les caractères de la crise Crétacé – Tertiaire

B Les crises biologiques : des repères dans l’histoire de la Terre

� Exemple : repérage d’une crise biologique, limite entre deux ères

� Les cinq crises majeures ayant marqué l’histoire de la Terre

Conclusion : la place de l’homme dans l’histoire de la planète

Sommaire séquence 6-SN02



ouplage des événements biologiqueset géologiques au cours du temps

IntroductionDepuis l’apparition de la vie, il y a un peu plus de 3,8 milliards d’années, la Terre est le siège d’interactions entre la biosphère et les enveloppes fluides ou solides de la planète. Ainsi, l’apparition d’organismes procaryotes photosynthétiques, il y a environ 3,8 milliards d’années, est à l’origine d’un enrichissement progressif en dioxygène de l’atmosphère terrestre initialement réductrice. Cette évolution de l’atmos-phère a elle-même contribué à une évolution de la biosphère conduisant à la diversification des formes vivantes qui se sont succédé sur Terre.

L’histoire plus récente de la Terre est marquée par une tectonique des plaques ayant provoqué un déplacement des continents dont les répercussions sur la biosphère ont été importantes.

Nous limiterons l’étude dans cette séquence à l’influence des événements géologiques survenus à la surface de la Terre sur le monde vivant.

Dans l’histoire de la Terre, certaines périodes ont été marquées par des événements géologiques majeurs dont les conséquences sur l’évolution de la biosphère ont été particulièrement importantes. On considère que la biodiversité actuelle ne représente que 1 % de toutes les espèces ayant vécu sur Terre.

A La crise Crétacé-Tertiaire :une crise biologique célèbre

� Roches, temps et évolution biologique :la notion de crise

Les strates sédimentaires représentent un intervalle de temps ; selon le principe de superposition (voir séquence 4), une strate est plus récente que celle qu’elle recouvre et plus ancienne que celle qui la recouvre (à condition que les strates aient conservé leur disposition d’origine). On peut ainsi situer les événements géologiques les uns par rapport aux autres (chronologie relative).

Certaines strates sédimentaires peuvent contenir des fossiles ; les contenus en fossiles peuvent être différents d’une strate à l’autre, soit parce que le milieu a changé (strates de même âge mais de faciès différents), soit parce qu’il y a eu évolution biologique (strates d’âge différent et de faciès identique). Certains fossiles permettent justement de dater les strates dans lesquelles on les trouve : les fossiles stratigraphiques (voir séquence 4).

Ainsi, le suivi du contenu fossilifère dans les strates révèle bien souvent l’apparition et la disparition d’espèces : ceci traduit une évolution biologique.

Certaines extinctions sont massives et rapides (à l’échelle des temps géologiques), affectant tous les milieux planétaires, aussi bien océaniques que continentaux : on parle alors de crises biologiques.

Une crise est une discontinuité majeure à l’échelle de la planète et à l’échelle des temps géologiques qui sépare des périodes de plus grande stabilité. Leur durée est relativement courte à l’échelle des temps géologiques. Ces crises sont liées à des événements géologiques de grande importance ayant affecté la surface de la planète et en particulier la biosphère.



� Les caractères de la crise Crétacé-Tertiaire

La limite Crétacé-Tertiaire, à – 65 millions d’années, est marquée par des changements de faune très importants, aussi bien en domaine continental qu’en domaine océanique, et ceci à l’échelle planétaire. Ce sont ces observations qui ont défini la limite Crétacé-Tertiaire au XIXe siècle. Par la suite, des analyses stratigraphiques précises ont complété ces études faunistiques.

a) Les indices de la crise en milieu océanique

L’analyse de strates sédimentaires fournit des indices sédimentologiques et paléontologiques permettant d’identifier la crise Crétacé-Tertiaire.Au nord de la Tunisie, à El Kef, l’analyse des roches constituant une série de strates sédimentaires a permis d’établir la colonne stratigraphique représentée sur le document 1. La nature, la structure, la position qu’occupent ces roches ainsi que les fossiles qu’elles contiennent donnent des renseignements sur l’époque où elles se sont mises en place.

Le niveau O correspond à la limite Crétacé-Tertiaire sur les 3 documents.

Document 1 Colonne stratigraphique d’El Kef (voir page suivante)

Les Nummulites, Globigérines et Globotruncana sont des Foraminifères, animaux unicellulaires (Protozoaires) marins.Les Rudistes sont des mollusques bivalves qui vivaient fixés, associés à des Algues et des Coraux dans des mers chaudes peu profondes.Les Ammonites sont des mollusques Céphalopodes marins protégés par une coquille enroulée en spirale ; elles flottaient et nageaient au-dessus du plateau continental ou rampaient sur le fond.

Document 2 Document 3

Variation de la teneur en CaCO3 Variation de la teneur en iridiumdans la série sédimentaire de la série sédimentaire

Le taux de carbonate de calcium présent dans les sédiments est essentiellement lié à aux micro-orga-nismes fabriquant des tests calcaires qui se déposent sur le fond marin après leur mort (notamment les Foraminifères).La teneur en iridium de la surface de la lithosphère est habituellement très faible (0,05 ng/g de roche).



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Activité autocorrective n° 1 D’après l’étude des documents 1 à 3, relevez les différents indices caractérisant la limite Crétacé-Tertiaire

en milieu océanique.

La couche d’argile contient par ailleurs des quartzs choqués, minéraux ayant subi une modification de leur structure cristalline (aspect strié) et des magnétites nickelifères (oxydes métalliques riches en fer, magnésium, nickel, aluminium, titane, chrome) qui n’existent pas sur Terre dans les conditions normales.

Document 4 Quartz choqué et magnétite nickelifère

La limite Crétacé-Tertiaire a été étudiée dans plus de 150 sites à travers le monde. De nombreux sites ont montré les mêmes caractéristiques que celles du site d’El Kef : à Bidart (France, près de Biarritz), Gubbio (Italie), Caravaca et Zumaya (Espagne), Stevns Klint (Danemark).

b) Les indices de la crise en milieu continental

Les milieux de sédimentation continentaux sont principalement représentés par les cours d’eau et les lacs. Au cours du temps, ces milieux subissent des modifications rapides (assèchement, changement de direction des fleuves…) : discontinus dans l’espace, ils le sont également dans le temps, ce qui rend plus difficile les corrélations avec d’autres milieux. On retrouve cependant certains indices de la crise Crétacé-Tertiaire dans quelques sites continentaux.Les formations crétacées et tertiaires du Montana (USA) sont représentées par des pélites (argiles et sables fins) épaisses de quelques mètres. Les ravinements dus à l’érosion et la rareté de la végétation offrent des conditions d’affleurement exceptionnelles ; on a découvert dans ces niveaux des faunes de Dinosaures et de Mammifères ainsi que des pollens fossilisés.



Document 5 Série sédimentaire de Hell Creek (Montana)

Activité autocorrective n° 2 Indiquez les différents niveaux marquant une limite que l’étude des formations du Montana permet

d’établir.

Quel niveau pourrait correspondre à celui de la limite Crétacé-Tertiaire ? Justifiez votre réponse.

c) Bilan : une crise planétaire

� La période Jurassique-Crétacé (Secondaire) est caractérisée par un climat doux. En milieu continental, parmi les végétaux, les Fougères et les Gymnospermes (Végétaux supérieurs à graine « nue ») prolifèrent ; dans le règne animal, les Reptiles occupent une place prépondérante et colonisent toutes les niches écologiques du fait de leur très grande diversité (dinosaures en milieu terrestre, ptérosaures dans les airs, plésiosaures et ichtyosaures dans l’eau).En milieu océanique, les Ammonites représentent un groupe très diversifié ; les Foraminifères planctoniques sont très abondants.

� Vers – 65 mA, un événement majeur entraîne la disparition totale des Dinosaures et des Ammonites et un taux d’extinction très important parmi les Foraminifères planctoniques ; parmi les végétaux, une grande partie des plantes terrestres disparaît.

Ainsi cette période est marquée par une modification très importante de la biosphère qui touche aussi bien les organismes continentaux que les organismes océaniques, animaux ou végétaux. La disparition massive et rapide d’un très grand nombre de groupes d’êtres vivants traduit l’existence d’une crise biologique de grande ampleur.



Document 6 Évolution des faunes marines (Foraminifères planctoniques) à la limite Crétacé-Tertiaire à El Kef

Les points représentent des échantillons isolés, les traits continus traduisent la présence continue d’une espèce.

Document 7 Évolution des groupes de Reptiles, d’Oiseaux et de Mammifères à la limite Crétacé-Tertiaire

� Le début du Tertiaire est marqué par une diversification rapide des Mammifères qui occu-pent les niches écologiques laissées vacantes par les Dinosaures disparus. À côté des Fougères et Gymnospermes, les Angiospermes (Végétaux supérieurs à graine renfermée dans un fruit) en plein essor dominent.



En milieu marin, de nouveaux groupes de Foraminifères planctoniques se développent.Ainsi, la crise Crétacé-Tertiaire est suivie d’une prolifération des formes vivantes qui occupent toutes les niches écologiques laissées vacantes par les espèces disparues. Les nouvelles espèces qui se diversifient sont issues des espèces ayant survécu à la crise.

� Parallèlement à ces modifications de la biosphère, la limite Crétacé-Tertiaire est marquée par une couche d’argile que l’on retrouve dans de nombreux lieux géographiques sur la Terre ainsi que par une teneur en iridium de cette couche anormalement élevée.Enfin, en milieu océanique, la chute de la teneur en carbonate de calcium dans les sédiments est à mettre en relation avec la disparition de nombreux organismes planctoniques à tests ou coquilles calcaires.

La limite Crétacé-Tertiaire est ainsi fondée sur de nombreux indices (paléontologiques et lithologiques) présents à l’échelle de la planète dans tous les types de milieu.

d) Les causes de la crise Crétacé-Tertiaire : deux hypothèses

Plusieurs phénomènes peuvent être à l’origine d’extinctions massives et brutales : variations du niveau des mers, bouleversements climatiques, phénomènes géologiques liés à la tectonique des plaques (volcanisme…), impacts météoritiques.En ce qui concerne la crise Crétacé-Tertiaire, deux hypothèses sont proposées : un volcanisme de très grande ampleur et l’impact d’une météorite de très grande taille.

� Les trapps du Deccan, en Inde, sont de vastes épanchements basaltiques formant, sur une surface de plusieurs centaines de milliers de km2, des empilements de coulées dont l’épaisseur est parfois supérieure à 2400 m. Ces coulées ont été datées par les radioisotopes et le paléomagnétisme : elles se sont déposées entre – 68 et – 63 mA.

Document 8 Colonne stratigraphique dans les trapps du Deccan (Inde)



Les sédiments situés sous les coulées renferment des fragments d’ossements de dinosaures datant de la fin du Crétacé. Ces fragments sont absents dans les strates qui recouvrent les coulées. Il y a donc coïncidence entre cette très forte activité volcanique, qui aurait duré environ 500 000 ans (volcanisme de point chaud), et l’extinction massive de nombreux groupes à l’échelle de la planète.

� Il y a 65 millions d’années, un autre événement a affecté la surface terrestre : une météorite, de 10 km de diamètre, a frappé la Terre. Cet impact météoritique permettrait d’expliquer, entre autres, la richesse en iridium de la couche d’argile datée de cette époque : les météorites sont riches en iridium (500 ng/g dans les météorites pierreuses, plus dans les météorites métalliques) alors que la surface terrestre n’en contient que 0,05 ng/g. L’impact météoritique explique la présence de magnétites nickelifères : les géochimistes ont montré que ces cristaux ne se forment que par fusion de la croûte des météorites à haute température et sous pression de dioxygène lors de leur pénétration dans l’atmosphère terrestre. De même, les quartz choqués se sont formés lors de l’impact météoritique, le choc ayant provoqué une déformation des cristaux.

Un cratère géant, qui correspondrait à l’impact de cette météorite, a été identifié dans le Yucatan, au Mexique : le cratère de Chicxulub. La poussière dégagée par l’impact et propulsée dans l’atmosphère aurait obscurci celle-ci durant plusieurs mois ; sans lumière, la photosynthèse cesse, les chaînes alimen-taires s’interrompent. Ceci aurait également eu pour conséquence des modifications de la température terrestre.

Ces mêmes effets peuvent aussi être causés par les cendres et poussières émises par les volcans en éruption.À l’heure actuelle, aucune des deux hypothèses ne permet d’expliquer la crise Crétacé-Tertiaire de manière indiscutable : le débat n’est pas clos.

Document 9 Cratère de Chicxulub

a : Image traduisant les anomalies de gravité dans la région de Chicxulub : la ligne blanche indique la côte nord du Yucatan.

b : Morphologie d’un cratère lunaire produit par l’impact d’une météorite de grande taille



B Les crises biologiques :des repères dans l’histoire de la Terre

Les grandes crises biologiques observées à l’échelle planétaire ont permis de découper les temps géologiques ; les divisions les plus importantes, les ères, correspondent à l’apparition ou la disparition de groupes entiers d’organismes.D’autres limites peuvent être identifiées et servent à subdiviser les ères en systèmes, étages… L’ensemble de ces subdivisions constitue l’échelle stratigraphique (voir séquence 4- chapitre 2- document 17).La vie est apparue il y a environ 3,8 milliards d’années. Pendant près de 3 milliards d’années l’évolution de la biosphère a été lente ; durant les 500 derniers millions d’années, plusieurs crises majeures ont affecté la planète.On peut repérer les principales crises biologiques d’après l ‘analyse d’indices sédimentologiques et paléontologiques dans des séries sédimentaires.

� Exemples : repérage d’une crise, limite entre deux ères

Activité autocorrective n° 3 Les Brachiopodes et les Lamellibranches sont des mollusques protégés par une coquille à deux valves

qui vivent dans les mêmes milieux. Ils reposent par l’une de leurs valves sur le fond, en milieu marin peu profond. Ces deux groupes cohabitent depuis l’ère primaire.

Décrivez et comparez l’évolution du nombre de Brachiopodes et de Lamellibranches depuis le Paléozoïque (Primaire). Que pouvez-vous en déduire ?

Document 10 Évolution du nombre de genres de Brachiopodes (triangles) et de Lamellibranches (étoiles) au cours du temps



Activité autocorrective n° 4 En mettant en relation les informations apportées par l’étude des documents 11 à 13, repérez les indices

d’une crise sur laquelle est fondée la limite entre le Primaire et le Secondaire.

Document 11 Taux d’extinction de genres d’animaux marins (protozoaires et invertébrés)

Document 12 Évolution du nombre de genres de plantes terrestres



Document 13 Nombre de genres de Vertébrés terrestres à la limite Primaire-Secondaire

� Les cinq principales crises ayant marqué l’histoire de la Terre

Document 14

Découpage des temps géologiques et crises

� La crise Crétacé-Tertiaire : la plus célèbre en rai-son de la disparition des dinosaures.

� La crise de la fin du Trias : 20 % des familles d’animaux marins disparaissent (surtout mollus-ques bivalves, gastéropodes, brachiopodes)

� La crise de la fin du Permien : la plus grande crise de l’histoire de la Terre : 96 % des espèces et 83 % des genres en milieu marin disparaissent ; les Vertébrés terrestres sont décimés.

� La crise de la fin du Dévonien : elle affecte sur-tout le domaine marin (90 % d’extinction du phytoplancton et 70 % d’extinction du zoo-plancton).

� La crise de la fin de l’Ordovicien : 1/3 de la faune marine a disparu ; tous les groupes sont tou-chés.

Ces crises ont affecté l’ensemble de la planète et sont repérables dans le monde entier.



Conclusion : la place de l’Homme dans l’histoire de la Terre

� Le découpage des temps géologiques en ères correspond le plus souvent à l’existence de crises de grande ampleur ayant affecté l’ensemble du monde vivant sur toute la planète.C’est le cas des limites Primaire-Secondaire, Secondaire-Tertiaire.La limite Précambrien-Primaire, il y a environ 530 Ma, correspond à l’apparition des premiers orga-nismes fossilisés à tests ou coquilles minéralisés.Quant à la limite Tertiaire-Quaternaire, elle correspond seulement à l’émergence de l’Homme et n’a pas, de ce fait, la même valeur que les autres limites. Cette limite n’est pas datée de façon précise dans la mesure où elle dépend de l’état des découvertes concernant la lignée humaine et des inter-prétations qui en sont faites.Cette limite n’est pas fondée sur l’existence d’une crise biologique (à moins de considérer l’émergence de l’Homme comme une crise ? …).

� Par ailleurs, l’Homme, lui-même issu d’une évolution biologique, agit sur l’environnement, modifiant les conditions physico-chimiques et la biodiversité de la planète (programme de Seconde : couplage des différentes enveloppes de la Terre).Par exemple, l’atmosphère terrestre primitive était très riche en dioxyde de carbone (20 %) ; puis des processus physico-chimiques et biologiques ont contribué à faire baisser ce taux jusqu’au taux actuel. Avant 1800, ce taux était de 280 ppm (parties pour million) ; actuellement il atteint 360 ppm (soit une augmentation de 30 %) et augmente du fait des activités humaines. Le dioxyde de carbone étant un gaz à effet de serre, l’augmentation de son taux dans l’atmosphère pourrait avoir des conséquences climatiques (difficilement prévisibles) qui entraîneraient une modification de la biosphère.Au cours des siècles passés, l’Homme a également directement agi sur la biosphère, entraînant la disparition totale de certaines espèces.Nous avons vu que l’extinction et le renouvellement des espèces constituent un processus naturel qui a accompagné l’histoire de la Terre. Mais, jusqu’à l’émergence de l’Homme, ces extinctions étaient la conséquence de modifications de l’environnement dues à des phénomènes géologiques internes ou des phénomènes d’origine externe.Or, le taux d’extinction des espèces est aujourd’hui beaucoup plus important (on estime que le taux d’extinction depuis 200 ans est 40 à 60 fois supérieur au taux naturel chez les Oiseaux et les Mammifères). Sans des conventions sur la protection des espèces menacées, la biodiversité risque fort de diminuer. Ainsi, la convention sur le commerce international des espèces menacées d’extinction, en 1973, a permis d’éviter la disparition totale des gorilles et des éléphants.D’autre part, l’Homme a également développé les moyens techniques lui permettant de sélectionner les espèces, d’en modifier le génome. Une application non raisonnée de ces pratiques pourrait également avoir un impact sur la biodiversité.L’Homme sera-t-il responsable de la 6e grande crise biologique ?… (c’est l’inquiétude manifestée par un certain nombre de scientifiques).

En 1505, les Portugais découvrent l’île Maurice et son immense diversité d’oiseaux vivant dans des forêts particulièrement denses. Le dodo, ou Raphus cucullatus, oiseau non volant, a servi de source de viande fraîche pour les marins ; ses œufs, posés à même le sol, sont mangés par les rats débarqués en même temps. En un siècle, le dodo se raréfie ; le dernier est abattu en 1681. Cet oiseau se nour-rissait des fruits d’un arbre aujourd’hui en voie de disparition ; il ne reste plus que 13 arbres de cette espèce sur l’île Maurice, vieux de 300 ans. Aucune graine n’a germé depuis 1700. On sait aujourd’hui que la germination de cette graine ne peut se faire qu’après son passage dans le tube digestif du dodo.

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