Paléontologie : Comment le plus vieux cœur de vertébré connu éclaire l’histoire de notre corps

FOSSILES Découvrez, chaque jour, une analyse de notre partenaire The Conversation. Ce jeudi, des scientifiques racontent une surprenante exploration anatomique par rayons X

20 Minutes avec The Conversation
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La position du cœur chez les poissons nous renseigne sur le développement… des poumons
La position du cœur chez les poissons nous renseigne sur le développement… des poumons — The Conversation
  • L’étude des placodermes (des animaux marins préhistoriques) permet de comprendre l’origine du corps des vertébrés à mâchoires, selon notre partenaire The Conversation.
  • La récente découverte d’un cœur de placoderme préservé en trois dimensions et vieux de 380 millions d’années (prédatant de 250 millions d’années le cœur le plus ancien jamais trouvé dans un fossile de poisson) est, à ce titre, très prometteuse.
  • Cette analyse a été menée par Kate Trinajstic, paléontologue, professeur émérite en Sciences moléculaires et de la vie à l’Université Curtin (Perth, Australie) et John Long, professeur de paléontologie à l’Université Flinders (Adélaïde, Australie).

Près de la ville de Fitzroy Crossing, dans les chaînes calcaires de la région du Kimberley, en Australie-Occidentale, vous trouverez l’un des complexes de récifs anciens les mieux préservés au monde.

Dans ceux-ci se trouvent les vestiges d’une myriade d’animaux marins préhistoriques, y compris des placodermes. Cette classe de poissons préhistoriques représente certains de nos premiers ancêtres dotés de mâchoires. Pendant le Dévonien, ils représentaient le groupe le plus diversifié et le plus abondant de vertébrés. Ils ont dominé les mers, rivières et lacs du Dévonien jusqu’à la fin de cette période où ils ont succombé à une extinction de masse.

L’étude des placodermes permet de comprendre l’origine du corps des vertébrés à mâchoires (les vertébrés étant ces animaux avec une colonne vertébrale). Par exemple, les placodermes ont permis de révéler quand les premières mâchoires, les os crâniens appariés, ainsi que les nageoires paires, sont apparues. Ils nous renseignent également sur l’origine des organes de reproduction permettant la fécondation et le développement internes dans l’histoire évolutive des vertébrés.

Nous avons maintenant découvert un cœur de placoderme préservé en trois dimensions, et le décrivons dans une étude publiée le 15 septembre 2022 dans la revue Science. Vieux de 380 millions d’années, il prédate de 250 millions années le cœur le plus ancien découvert en 2016 dans un poisson brésilien.

Le cœur d’un poisson placoderme de Gogo préservé en 3D. La roche beige enveloppe l’os, en gris, et le cœur, en rouge, mis en évidence par faisceau de neutrons
Le cœur d’un poisson placoderme de Gogo préservé en 3D. La roche beige enveloppe l’os, en gris, et le cœur, en rouge, mis en évidence par faisceau de neutrons - Kate Trinajstic (via The Conversation)

​Notre processus de découverte

Dès les années 1940, des fossiles de poissons avaient été découverts dans la station de Gogo, près de Fitzroy Crossing. Par contre, ce n’est qu’au cours des années 1960 que les secrets de préservation en 3D ont été révélés grâce à une technique novatrice utilisant une solution d’acide acétique faible (comme du vinaigre) pour dissoudre la roche et révéler les fossiles.

Cependant, cette technique s’est avérée être une épée à double tranchant. Bien que le vinaigre aide à révéler les os, il dissout, en revanche, les organes et muscles préservés dans ces fossiles exceptionnels. En 2000, les premiers muscles ont été identifiés chez les placodermes nous forçant à réévaluer nos techniques de préparation.

Les poissons fossiles utilisés dans cette étude ont été découverts dans la formation de Gogo dans la région de Kimberley, en Australie
Les poissons fossiles utilisés dans cette étude ont été découverts dans la formation de Gogo dans la région de Kimberley, en Australie - Curtin University (via The Conversation)

Ce n’est qu’avec l’avènement de la « microtomographie synchrotron » (une méthode basée sur l’utilisation de rayons X) que l’anatomie de ces muscles a été révélée en 3D. Utilisée pour la première fois en 2010 sur les fossiles de Gogo, cette technique a permis la découverte de complexes muscles du cou et du ventre.

Cette méthode nous a maintenant permis de décrire les organes les plus anciens au monde, soit un foie, des intestins ainsi qu’un estomac contenant le dernier repas de ce poisson dévonien : un crustacé.

Ces organes fossilisés de placodermes ont été découverts chez des arthrodires, l’ordre des placodermes les plus nombreux et diversifiés, caractérisé par une articulation unique entre l’armure du crâne et celle du thorax.

​Le cœur du placoderme

De tous ces organes, c’est la découverte du cœur de placoderme par imagerie synchrotron qui nous a le plus fascinés.

Lors d’expériences sur un autre spécimen, basées sur l’imagerie à faisceaux de neutrons, nous avons également découvert un cœur, placé dans sa gorge !

Notre nouvelle découverte révèle l’anatomie des organes d’un poisson arthrodire du Dévonien
Notre nouvelle découverte révèle l’anatomie des organes d’un poisson arthrodire du Dévonien - Brian Choo & Kate Trinajstic (via The Conversation)

À ce stade de l’évolution des vertébrés, le cou était si court que le cœur était situé au fond de la gorge, sous les branchies.

Les poissons plus primitifs que les arthrodires, comme la lamproie (poisson sans mâchoire), ont un cœur très près du foie et positionné beaucoup plus en arrière. Chez la lamproie, les deux cavités du cœur (appelées oreillette et ventricule) sont côte à côte.

En revanche, le cœur des arthrodires était beaucoup plus en avant, avec l’oreillette située au-dessus du ventricule ; cette disposition est semblable aux cœurs des requins et des poissons osseux d’aujourd’hui.

Aujourd’hui, 99 % des vertébrés vivants ont des mâchoires. On avait supposé que le repositionnement antérieur du cœur était lié à l’évolution des mâchoires et du cou. Les organes des arthrodires que nous avons découverts fournissent la première preuve anatomique appuyant cette hypothèse.

Mais ce n’est pas tout ! Ce nouveau positionnement du cœur aurait également permis aux poumons de se développer.

​Les placodermes avaient-ils donc des poumons ?

Une des questions les plus difficiles concernant les premiers vertébrés à mâchoires est de savoir s’ils possédaient des poumons. Bien que les poissons aient des branchies, plusieurs possèdent également des poumons, servant de dispositif de flottaison, les aidant à ajuster leur profondeur de nage.

Aujourd’hui, les poumons ne sont présents que chez les poissons osseux primitifs tels que les dipneustes ou le polyptère.

Les poissons osseux plus avancés (tels que les téléostéens), ajustent leur flottabilité avec une vessie natatoire remplie d’air. En revanche, les requins n’ont ni poumons ni vessie natatoire, mais possèdent à la place un très grand foie huileux.

Mais qu’en est-il des anciens placodermes ? Des études antérieures (quelque peu controversées) ont suggéré que les poumons étaient présents dans un placoderme primitif appelé Bothriolepis.

Un modèle de Bothriolepis, dont on pensait précédemment qu’il possédait une paire de poumons
Un modèle de Bothriolepis, dont on pensait précédemment qu’il possédait une paire de poumons - John Long (via The Conversation)

Notre nouvelle étude sur les arthrodires de Gogo révèle que ce que l’on pensait être des poumons chez Bothriolepis est en fait un foie à deux lobes. Les poumons sont donc absents chez les placodermes.

Les poumons ont une origine unique chez les poissons osseux (ostéichtyens). Le repositionnement du cœur depuis l’arrière vers une position antérieure chez nos arthrodires aurait pu libérer de la place pour le développement des poumons dans les lignées ultérieures.

L’absence de poumons chez les placodermes suggère qu’ils utilisaient leur foie de grande taille pour contrôler leur flottabilité, comme le font les requins actuels.

Notre découverte du cœur des arthrodires démontre la migration antérieure progressive du cœur entre les poissons sans mâchoire et les requins et poissons osseux modernes
Notre découverte du cœur des arthrodires démontre la migration antérieure progressive du cœur entre les poissons sans mâchoire et les requins et poissons osseux modernes - Kate Trinajstic, Brian Choo & John Long (via The Conversation)

Un site fossilifère exceptionnel

La fossilisation des organes et tissus mous d’un animal venant de mourir est une course contre la montre. Généralement, ils se décomposent trop rapidement pour être préservés, mais dans certains cas, comme dans la formation de Gogo, un certain degré de décomposition aide à préserver ces tissus mous grâce à la présence de certaines bactéries.

Dans le cas du cœur fossilisé que nous avons décrit ici, l’oreillette et le ventricule sont très bien préservés, mais le cône artériel, une section du cœur qui envoie le sang vers les branchies, n’est pas aussi bien conservé.

Le degré de préservation exceptionnel qui nous a permis de faire ces découvertes est essentiel pour retracer les premières étapes de l’évolution des vertébrés, y compris les origines du plan de construction de notre corps à nous autres humains.

En plus des détails anatomiques, nos découvertes démontrent l’importance mondiale du site de Gogo dans les Kimberley pour comprendre nos origines.

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Cette analyse a été rédigée par Kate Trinajstic, paléontologue, professeur émérite en Sciences moléculaires et de la vie à l'Université Curtin (Perth, Australie) et John Long, professeur de paléontologie à l'Université Flinders (Adélaïde, Australie). Cet article a été traduit en français par les docteurs Catherine Anne Boisvert, Vincent Dupret et Sophie Sanchez, co-auteurs de l’article publié dans Science.

L’article original a été publié sur le site de 
The Conversation.