Photo 1 : Coquillage, Photo 2 : Ammonite (photos : JP. Ulmet)
La fossilisation des organismes après leur mort n’est a priori pas quelque chose d’«évident » ni de généralisé…Elle commence toujours par un enfouissement de l’organisme mort sous des sédiments ou des cendres provenant d’une éruption volcanique. Puis toute une série de processus biologiques, mécaniques, chimiques sont mis en jeu. Cependant, il est finalement très rare que toutes les conditions favorables soient remplies. On estime que seule une toute petite proportion, de 0,01 à 0,1 % des organismes, se fossilisent…
Heureusement la vie a été très largement répandue dans tous les milieux, la Terre est vaste et au cours des centaines de millions d’années (MA), il y a eu suffisamment de cas favorables pour que de nombreux fossiles nous restent, couvrant à peu près toute l’histoire de la vie…On estime d’ailleurs à environ 500.000 le nombre d’espèces dont on connaît les fossiles.
Les fossiles ont une importance capitale car ils sont les seuls témoins de l’histoire de la vie sur notre planète. La science qui étudie les fossiles est la paléontologie. Bien que de longue date les hommes se soient interrogés sur ces curieuses formes qui étaient incrustées dans les pierres, cette discipline n’a vraiment débuté, en tant que science, qu’au cours du siècle des Lumières (XVIIIe siècle) et plus précisément avec l’apport décisif de Georges Cuvier (1769-1832) qui en est considéré comme le « père ».
Qu’est-ce qui se fossilise?
Tout peut théoriquement se fossiliser dans un organisme vivant…
En pratique, ce sont plutôt les éléments «durs» ou déjà minéralisés des êtres vivants qui sont susceptibles de se fossiliser :
► coquilles (coquillages, ammonites…)
Coquille de gastéropode Amberleya (Eucyclus) capitaneus (Jurassique inférieur de l’Isère – 180 MA) Photo : Muséum de Toulouse
► tests (coques externes des oursins)
Oursin et ses radioles (Archaeocidaris brownwoodensis) (Carbonifère supérieur du Texas – 300 MA)
Photo : D. Descouens
► œufs (de dinosaures par ex…)
Ponte d’œufs de dinosaures (Crétacé supérieur du Var – 70 MA) – photo : Muséum de Toulouse
► os du squelette (vertébrés)
► écailles (poissons)
► téguments (plumes, poils, ongles ou griffes…). Leur fossilisation demeure un phénomène extrêmement rare.
► dents (divers animaux)
► chitine (insectes, crustacés, arthropodes)
Cigale (Liaocossus hui) (Jurassique supérieur de Chine – 150 MA) - Muséum de Toulouse
Trilobite (Cybele bellatula) (Ordovicien inférieur de Russie – 450 MA) – Muséum de Toulouse
► végétaux (feuilles, fleurs et troncs d’arbres)
►on peut aussi trouver exceptionnellement des « tissus mous » qui se sont fossilisés ou des excréments (coprolithes - souvent précieux pour déterminer quelles étaient les habitudes alimentaires des animaux). Ces « tissus mous » des animaux ne se fossilisent que très rarement pour des raisons évoquées plus loin (attaque rapide par les microorganismes).
► par contre les végétaux se fossilisent bien et se transforment très souvent en carbone (les magnifiques empreintes de fougères que l’on trouve dans les terrains houillers sont bien connues). Les grains de pollen et les graines aussi : leur étude a donné naissance à la palynologie (étude des pollens fossiles) et à la carpologie(1) (ou étude des graines fossiles) qui permettent de connaître les espèces végétales vivant à certaines époques de l’histoire de la Terre, dans une région donnée, et donc de corréler ces données avec les paléoclimats (climats anciens) correspondants.
Empreinte de fougère (Carbonifère - 300 MA) - Muséum de Toulouse
►quelquefois, c’est l’ensemble d’un organisme qui peut être fossilisé (momifié ?) sans aucune destruction apparente: c’est le cas des nombreux et superbes insectes que l’on peut trouver inclus dans une résine fossile appelée ambre (en particulier l’ambre de la Baltique daté de l’Eocène moyen soit 45 millions d’années).
Mouche fossilisée dans l’ambre de la Baltique et agrandissement (Eocène moyen - 45 MA) - Muséum de Toulouse
►les empreintes laissées par les animaux lors de leurs déplacements sont fréquentes (pistes de reptiles ou terriers d’organismes fouisseurs tels que vers) : on parle d’ichnofossiles (du grec ichnos : trace, piste).
Empreinte de pas d’un petit reptile (Permien de la région de St Affrique ~ 290 MA) - © JP. Ulmet
►ou les vestiges de constructions bactériennes, prémices de la vie, vieux de plus de 3 milliards d’années, comme les stromatolithes qui d’ailleurs se forment encore actuellement.
Stromatolithe fossile (Oligocène de l’Allier - 30 MA) – Muséum de Toulouse
La fossilisation, une exception généralisée… ?
Quand un organisme meurt, animal ou végétal, ce sont ses « tissus mous » qui sont attaqués en premier lieu par des processus faisant intervenir des microorganismes (bactéries, levures, etc.). Par contre, un enfouissement rapide de l’organisme dans un milieu azoïque (sans vie animale) peut arrêter ou tout du moins en freiner la décomposition. Les « parties dures » (coquilles, os, tests…) mettent plus de temps à être détruites. Ce sont donc ces dernières qui ont davantage de chances de se transformer en fossiles sous réserve que certaines conditions soient réunies. Il est en effet bien évident que les agents naturels (agitation de l’eau, marées, vagues, éléments abrasifs, action de l’air, de la pluie, etc.) et éventuellement la présence de prédateurs, ne sont pas des facteurs favorables à la conservation…
Les propriétés chimiques du milieu sont également de première importance: beaucoup de restes sont de nature calcaire (coquilles) et, s’ils se retrouvent dans un milieu acide, il y a de fortes chances pour que le calcaire soit attaqué et détruit.
La photo suivante montre un rare cas de fossilisation des parties molles d’un petit calmar au sein de marnes (roches argilo-calcaires) du Jurassique moyen.
Petit calmar complet avec fossilisation des tissus mous (Callovien de La Voulte-sur-Rhône -160 MA) - ©JP. Ulmet
Une longue aventure chimique
Si l’organisme n’a pas été rapidement détruit, alors le lent phénomène de la fossilisation peut débuter : une nouvelle aventure essentiellement chimique peut commencer pour le futur fossile…
Envisageons par exemple le cas d’une coquille : quel peut être son sort ?
1) Celle-ci peut nous parvenir entière sans modification ni de forme ni chimique.
C’est le cas de beaucoup de coquilles. On peut pratiquement ranger dans cette catégorie les superbes ammonites nacrées qui ont subi peu d’altération en surface, la nacre ayant été préservée.
Photo 1 : Ammonite nacrée déroulée Nostoceras (Didymoceras) sp. (Crétacé supérieur du Wyoming ~ 70 MA) Muséum de Toulouse / Photo 2: Ammonite nacrée (Jeletzkytes nebrascensis) (Maastrichtien du Dakota ~ 70 MA) – ©JP. Ulmet
2) La coquille peut devenir poreuse et absorber des solutions minérales circulant dans la roche. On a une recristallisation et le fossile est dit minéralisé. C’est par exemple le cas des fossiles pyritisés ou pyriteux (transformés en pyrite-sulfure de fer FeS2):
Ammonite pyritisée (Lias de l’Aveyron - 180 MA) ©JP. Ulmet /Photo 2 : Spirifer (Dévonien de Belgique ~ 380 MA) ©Photo : JP. Ulmet
La fossilisation de parties molles s’effectue également suivant des processus de minéralisation de la matière organique.
3) Celle-ci peut se remplir de matière puis disparaître : on obtient alors un moule interne en général moins intéressant car ayant perdu une grosse partie sinon la totalité de l’ornementation de la coquille.
Moule interne de gastéropode (Toarcien de Penne - 180 MA) – ©JP. Ulmet
4) La coquille (ou la carapace) se remplit de sédiments, disparaît, mais un processus chimique remplit l’espace laissé par la coquille. On a alors la reconstitution souvent fidèle de celle-ci, face interne et externe.
Trilobite et son moule externe (Ordovicien du Maroc-450 MA) – © JP. Ulmet
5) La coquille initiale peut être remplacée pratiquement atome pour atome par une autre substance. Le fossile est une reproduction parfaite de l’original.
Pour les processus dans lesquels la matière primitive de la coquille est remplacée, de nombreuses substances peuvent intervenir. C’est ainsi que l’on rencontre fréquemment la calcite, l’aragonite, la silice, la pyrite, des oxydes, des carbonates, des phosphates, des silicates, etc.
6) Si la coquille disparaît après avoir été pressée sur un substrat qui par la suite durcit, on peut obtenir une empreinte négative de la coquille.
La momification d’un organisme peut avoir lieu dans des conditions très particulières. Par exemple:
- glace (mammouths congelés de Sibérie)
- milieu désertique, très sec (momies humaines naturelles dans le nord-ouest de la Chine)
- tourbières (momies humaines de Scandinavie)
- ambre (insectes dans l’ambre de la Baltique)
En ce qui concerne les végétaux la cellulose se transforme souvent en carbone mais le remplacement peut s’effectuer par d’autres minéraux tels que la silice par exemple, gardant souvent intacte la structure.
En Arizona la « Petrified forest » est réellement spectaculaire avec ses énormes troncs silicifiés):
Photo 1« Petrified forest » de l’Arizona (Trias – 220 MA) © JP. Ulmet / Photo 2 Tronc silicifié (Araucarioxylon arizonicum) (Trias de l’Arizona - 220 MA) Muséum de Toulouse
Quant aux traces fossilisées (ichnofossiles) laissées par des animaux (pistes de reptiles, traces de vers, etc…) elles sont souvent d’un très grand intérêt car elles peuvent apporter des informations sur la taille, la démarche, les mœurs des animaux en question.
Empreinte de pas de ptérosaure (« La plage aux ptérosaures » de Crayssac dans le Lot – Jurassique supérieur – 140 MA) https://www.youtube.com/watch?v=zC2wuVh5o0U Photo : ©JP. Ulmet
Les os se fossilisent bien, sous les réserves habituelles d’environnement chimique favorable, et permettent d’avoir accès à la morphologie des vertébrés (lorsqu’on a la chance de trouver des squelettes complets…)
Photo 1 : Mandibule de ruminant ( Dremotherium ) (Stampien du Lauragais ~ 30 MA) ©JP. Ulmet/ Photo 2 : Mandibule de rhinocéros (Plesiaceratherium mirallesi) (Miocène inférieur de Montréal-du-Gers – 17 MA) Muséum de Toulouse
Les déformations des fossiles
De nombreuses causes peuvent déformer les fossiles, soit au moment de la fossilisation (écrasement plus ou moins partiel du fossile), soit postérieurement par suite des modifications de la roche dans laquelle le fossile est inclus. Ce peut être dû à la métamorphisation ultérieure de la roche sédimentaire ou (et) à des déformations (roches tectonisées) liées aux mouvements qui déforment la croûte terrestre par exemple lors des orogenèses:
Trilobite (Solenopleuropsis) étiré suivant une diagonale (Cambrien d’Espagne ~ 510 MA) – ©JP. Ulmet
Poisson (Dapalis macrurus) avec décalage en creux d’une partie de la tête (Oligocène du Vaucluse - 35 MA) © JP. Ulmet
Un monde de découvertes…et de surprises !
Cet article n’est qu’un petit aperçu du monde des fossiles extrêmement vaste et presque illimité…Ils constituent véritablement les « aliments » qui nourrissent les sciences de la vie et de son évolution… On en découvre pratiquement de nouveaux tous les jours en diverses régions du globe, nous apportant de plus en plus une vision précise d’une histoire qui a commencé il y a au moins 3,5 milliards d’années d’après les récentes découvertes de microorganismes fossilisés. Cette histoire a d’ailleurs étroitement interféré avec celle de la Terre elle-même (configuration des continents et des mers, paléoclimats, composition de l’atmosphère, volcanisme intense, chutes d’énormes météorites…). De belles surprises attendent parfois les paléontologues, par exemple lorsqu’ils découvrent des fossiles d’organismes pluricellulaires (fossiles découverts très récemment au Gabon-2,1 milliards d’années!) ce qui date l’apparition des métazoaires – organismes pluricellulaires - à un milliard et demi d’années plus tôt que ce que l’on croyait… La paléontologie est une science vivante, très loin de consister en une accumulation de fossiles poussiéreux sur des étagères comme elle a souvent été considérée…
Les techniques actuelles, d’une incroyable sensibilité, permettent d’extraire de l’ADN provenant d’os ou de dents fossiles d’âge inférieur au million d’années et de le « faire parler ». C’est ainsi que la génétique apporte des nouvelles données bouleversant complètement nos conceptions sur l’évolution humaine et les migrations de populations. Et l’aventure est loin d’être terminée…
(1) À la découverte du métier de carpologue, l'archéologue des graines et semences.
Article rédigé par Jean-Pierre Ulmet, volontaire au Muséum, ancien professeur au département de physique de l'INSA de Toulouse.
Mis en ligne le 14 septembre 2018