COMMENT LES BALEINES ONT-ELLES ÉVOLUÉ?

À quoi pensez-vous quand vous pensez à une baleine? La graisse, les trous de soufflage et les douves sont parmi les marques distinctives des quelque 80 espèces de cétacés (baleines, dauphins et marsouins) qui vivent encore aujourd'hui. Mais, comme ce sont des mammifères, nous savons qu’ils doivent avoir évolué à partir d’ancêtres terrestres.

Il y a environ 375 millions d'années, les premiers tétrapodes - des vertébrés à bras et à jambes - se sont poussés hors des marais et ont commencé à vivre sur la terre ferme. Cette transition évolutive majeure a ouvert la voie à tous les groupes ultérieurs de vertébrés terrestres, y compris une lignée diverse appelée synapsids, qui a vu le jour il y a environ 306 millions d'années. Bien que ces créatures, telles que Dimetrodon, ressemblent à des reptiles, elles étaient en réalité les précurseurs archaïques des mammifères.

À l'époque où les premiers mammifères ont évolué, il y a 200 millions d'années, les dinosaures étaient les vertébrés dominants. Les mammifères se sont diversifiés à l'ombre des grands archosaures. Ils sont restés assez petits et secrets jusqu'à la disparition des dinosaures non aviaires qui ont été exterminés il y a 65 millions d'années. Cette catastrophe mondiale a ouvert la voie à une importante radiation chez les mammifères. Ce n’est que 10 millions d’années environ après cette extinction - et plus de 250 millions d’années depuis que les tout premiers tétrapodes ont rampé sur la terre ferme - que les premières baleines ont évolué. Ces premiers cétacés ne ressemblaient pas aux baleines que nous connaissons aujourd'hui, et ce n'est que récemment que les paléontologues ont pu les reconnaître.

Pendant plus d'un siècle, notre connaissance des archives fossiles de baleines était si rare que personne ne pouvait savoir avec certitude à quoi ressemblaient les ancêtres des baleines. Maintenant le vent a tourné. En l'espace de trois décennies à peine, un flot de nouveaux fossiles a comblé les lacunes de nos connaissances pour faire de l'origine des baleines un des exemples les mieux documentés de changement évolutif à grande échelle dans les archives fossiles. Ces créatures ancestrales étaient plus inconnues que jamais. Il n'y avait pas de marche rectiligne de mammifères terrestres menant à des baleines pleinement aquatiques, mais une émeute évolutive de cétacés amphibies qui marchaient et nageaient le long des rivières, des estuaires et des côtes de l'Asie préhistorique. Aussi étrange que soient les baleines modernes, leurs prédécesseurs fossiles étaient encore plus étranges.

Les pionniers qui ont défriché des terres en Alabama et en Arkansas ont souvent trouvé d'énormes os ronds. Certains colons les utilisaient comme foyers de cheminée; d'autres ont calé les clôtures avec les os ou les ont utilisées comme pierres angulaires; les esclaves utilisaient les os comme oreillers. Les os étaient si nombreux que dans certains champs, ils ont été détruits parce qu'ils empêchaient de cultiver la terre.

En 1832, une colline s’est effondrée sur la propriété de l’Arkansas appartenant au juge H. Bry et a exposé une longue séquence de 28 os circulaires. Il pensa qu'ils pourraient présenter un intérêt scientifique et envoya un paquet à l'American Philosophical Society de Philadelphie. Personne ne savait trop quoi en faire. Certains des sédiments attachés à l'os contenaient de petites coquilles qui montraient que la grande créature vivait autrefois dans une mer ancienne, mais on ne pouvait guère en dire plus avec certitude.

Le don de Bry a été bientôt égalé, et même dépassé, par celui du juge John Creagh de l'Alabama. Il avait trouvé des vertèbres et d'autres fragments lors du dynamitage sur sa propriété et avait également envoyé quelques échantillons à la société de Philadelphie. Richard Harlan a passé en revue les fossiles, qui ne ressemblaient en rien à ceux qu'il avait vus auparavant. Il demanda plus d'os et Creagh envoya bientôt des parties du crâne, des mâchoires, des membres, des côtes et l'épine dorsale de l'énigmatique créature. Étant donné que Creagh et Bry ont déclaré avoir vu des colonnes vertébrales intactes de plus de 100 pieds de longueur, la créature vivante devait être l'un des plus grands vertébrés à avoir jamais vécu. Mais quel genre d'animal était-ce?

Harlan pensait que les os ressemblaient beaucoup à ceux de reptiles marins éteints tels que les plésiosaures au long cou et les ichthyosaures profilés. Il lui attribue provisoirement le nom de Basilosaurus. Il n'était pas certain, cependant. La mâchoire contenait des dents de taille et de forme différentes, caractéristiques des mammifères mais pas de la plupart des reptiles. Pourquoi le plus grand fossile de reptile qui ait jamais existé avait-il des dents de mammifère?

Harlan se rendit à Londres en 1839 pour présenter Basilosaurus à certains des principaux paléontologues et anatomistes de son époque. Richard Owen, une étoile montante de la communauté universitaire, a soigneusement examiné chaque os et a même reçu l'autorisation de couper des dents pour étudier leur structure microscopique. Son attention portée à de si minuscules détails a finalement réglé l'identification du monstre marin. Basilosaurus partage quelques traits avec les reptiles marins, mais il ne s’agit là que d’un cas superficiel de convergence - d’animaux du même habitat évoluant de traits similaires - car les deux types de créatures ont vécu dans la mer. La constellation générale de traits, y compris les dents à double racine, identifie incontestablement Basilosaurus en tant que mammifère.

Après avoir inspecté des vertèbres et d’autres fragments découverts en Alabama, Richard Harlan, de l’American Philosophical Society de Philadelphie, pensa que les os ressemblaient le plus à ceux de reptiles marins éteints. Il lui attribue provisoirement le nom de Basilosaurus . Sur la photo est un modèle 3D d'un Basilosaurus . (DK Limited / Corbis)

Une illustration de "Hydrarchos" du collectionneur de fossiles né en Allemagne, Albert Koch, tel qu'il a été exposé. (De Fowler, OS 1846. Journal phrénologique américain et recueils, vol. 8. New York: Fowler & Wells.)

Quelques années plus tard, un scientifique manipulant un spécimen différent avec ses collègues a sorti un os du crâne, l'a laissé tomber et il s'est brisé sur le sol. Lorsque les scientifiques énervés ont rassemblé les fragments, ils ont remarqué que l'os révélait maintenant l'oreille interne. Il n'y avait qu'un seul autre type de créature avec une oreille interne qui correspondait: une baleine.

Peu de temps après la résolution de la véritable identité de Basilosaurus, la théorie de l'évolution de Charles Darwin au moyen de la sélection naturelle soulevait des questions sur l'évolution des baleines. Les archives fossiles étaient si rares qu'il était impossible de déterminer avec précision, mais dans une expérience de pensée incluse dans Sur l'origine des espèces, Darwin spécula sur la façon dont la sélection naturelle pourrait créer une créature semblable à une baleine au fil du temps:

En Amérique du Nord, [l'explorateur Samuel] Hearne a vu l'ours noir nager pendant des heures à gueule grande ouverte, capturant ainsi, comme une baleine, des insectes dans l'eau. Même dans des cas aussi extrêmes que celui-ci, si l'offre d'insectes était constante et si des concurrents mieux adaptés n'existaient pas déjà dans le pays, je ne vois aucune difficulté à ce qu'une race d'ours soit rendue, de plus en plus, par sélection naturelle. aquatiques dans leur structure et leurs habitudes, avec des bouches de plus en plus grandes, jusqu’à ce qu’une créature devienne aussi monstrueuse qu’une baleine.

Darwin a été largement ridiculisé pour ce passage. Les critiques ont supposé que cela voulait dire qu'il proposait que les ours soient des ancêtres directs des baleines. Darwin n'avait rien fait de tel, mais les moqueries lui firent modifier le passage dans les éditions suivantes du livre. Mais en préparant la sixième édition, il décida d’inclure une petite note sur Basilosaurus . Écrivant à son ardent défenseur, TH Huxley, en 1871, Darwin demanda si l’ancienne baleine pouvait représenter une forme de transition. Huxley a répondu qu'il pouvait y avoir peu de doute que Basilosaurus fournissait des indices sur l'ascendance des baleines.

Huxley pensait que Basilosaurus représentait au moins le type d'animal qui reliait les baleines à leurs ancêtres terrestres. Si cela était vrai, alors il semblait probable que les baleines avaient évolué à partir d'une sorte de mammifère carnivore terrestre. Une autre baleine éteinte appelée Squalodon, un dauphin fossile au sourire malicieux aux dents triangulaires, a de la même façon laissé entendre que les baleines avaient évolué à partir d'ancêtres mangeurs de viande. À l'instar de Basilosaurus, Squalodon était entièrement aquatique et donnait peu d'indices sur le stock spécifique d'où provenaient les baleines. Ensemble, ces fossiles de baleines étaient suspendus dans une sorte de limbo scientifique, dans l’attente d’une découverte future pour les connecter à leurs ancêtres terriens.

Pendant ce temps, les scientifiques ont spéculé sur ce que pourraient être les ancêtres des baleines. L'anatomiste William Henry Flower a fait remarquer que les phoques et les lions de mer utilisaient leurs membres pour se propulser dans l'eau tandis que les baleines perdaient leurs membres postérieurs et nageaient à cause des oscillations de leur queue. Il ne pouvait pas imaginer que les premiers cétacés utilisaient leurs membres pour nager, puis passaient plus tard à la propulsion par la queue. Les loutres et les castors semi-aquatiques, a-t-il affirmé, constituaient de meilleurs modèles alternatifs pour les premiers ancêtres terrestres des baleines. Si les premiers ancêtres des baleines avaient de grandes queues larges et larges, cela pourrait expliquer pourquoi ils ont développé un mode de nage aussi unique.

Contrairement à l'hypothèse des carnivores de Huxley, Flower pensait que les ongulés, ou mammifères à sabots, partageaient certaines similitudes squelettiques intrigantes avec les baleines. Le crâne de Basilosaurus avait plus de points communs avec les anciens «ongulés ressemblant à des cochons» que les phoques, donnant ainsi au nom commun du marsouin, «cochon de mer», un anneau de vérité. Si l'on en croit les anciens ongulés omnivores, pensa Flower, il serait probable qu'au moins certains d'entre eux seraient de bons candidats pour les premiers ancêtres des baleines. Il a imaginé un ancêtre hypothétique de cétacé se fondant dans les bas-fonds:

Nous pouvons conclure en nous imaginant quelques animaux primitifs généralisés, hantant les marais, avec une couverture maigre de poils comme l’hippopotame moderne, mais avec une large queue et des membres courts nageant, omnivores dans leur mode d’alimentation, combinant probablement des plantes aquatiques avec des moules, des vers et les crustacés d’eau douce, de plus en plus adaptés pour occuper la place du vide qui les attend du côté aquatique de la frontière sur laquelle ils habitaient, se transformant ainsi progressivement en créatures ressemblant à des dauphins habitant les lacs et les rivières et finissant par trouver leur chemin dans l'océan.

Les restes fossiles d'une telle créature sont restés insaisissables. Au tournant du XXe siècle, les plus anciens fossiles de baleines étaient encore représentés par Basilosaurus et des formes similaires, telles que Dorudon et Protocetus, toutes entièrement aquatiques: aucun fossile ne permettait de combler le fossé entre la terre et la mer. Comme ED Cope l'a admis dans une étude de 1890 sur les baleines: «L'ordre des cétacés est l'une de celles dont nous ne connaissons pas l'origine.» Cet état de fait a perduré pendant des décennies.

En 1966, alors qu'elle analysait les relations d'anciens mammifères mangeurs de viande, la biologiste de l'évolution, Leigh Van Valen, fut frappée par les similitudes entre un groupe éteint de carnivores terrestres appelés mésonychidés et les plus anciennes baleines connues. Souvent appelées «loups avec des sabots», les mésonychidées étaient des prédateurs de taille moyenne à grande, avec de longs museaux à dents et des orteils dotés de sabots plutôt que de griffes acérées. Peu après la disparition des dinosaures, il y a environ 30 millions d'années, ils étaient des prédateurs majeurs dans l'hémisphère Nord, et la forme de leurs dents ressemblait à celle de baleines comme Protocetus .

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Van Valen a émis l’hypothèse que certaines mésonychidées auraient pu être des habitants des marais, «des mangeurs de mollusques attrapant un poisson occasionnel, les phalanges élargies [doigts et orteils] les aidant sur des surfaces humides». l'eau par les fruits de mer. Une fois qu’ils ont commencé à nager pour le souper, les générations suivantes s’adaptent de plus en plus aquatiquement jusqu’à ce que quelque chose de «aussi monstrueux qu’une baleine» évolue.

Une découverte surprenante faite dans les sables arides du Pakistan, annoncée par les paléontologues de l’Université du Michigan, Philip Gingerich et Donald Russell en 1981, a finalement donné la forme de transition que les scientifiques espéraient. Dans des sédiments d'eau douce datant d'environ 53 millions d'années, les chercheurs ont récupéré les fossiles d'un animal qu'ils ont appelé Pakicetus inachus . Un peu plus que le dos du crâne de l'animal avait été retrouvé, mais il possédait une caractéristique qui le reliait indéniablement aux cétacés.

Les cétacés, comme beaucoup d'autres mammifères, ont des os d'oreille enfermés dans un dôme d'os situé sous leur crâne, appelé bulle auditive. La différence entre les baleines est que le bord du dôme le plus proche de la ligne médiane du crâne, appelé involucre, est extrêmement épais, dense et hautement minéralisé. Cette maladie s'appelle pachyostéosclérose et les baleines sont les seuls mammifères connus pour avoir un involucre aussi épaissi. Le crâne de Pakicetus ne présentait que cet état.

Mieux encore, deux fragments de mâchoire ont montré que les dents de Pakicetus étaient très similaires à celles de mésonychidées. Il semblait que Van Valen avait eu raison et Pakicetus était exactement le genre de créature vivant dans les marais qu'il avait imaginé. Le fait qu’il ait été trouvé dans des gisements d’eau douce et qu’il n’ait pas de spécialisation de l’oreille interne pour l’audience sous-marine a montré qu’il était encore très tôt dans la transition aquatique, et Gingerich et Russell ont pensé à Pakicetus comme «une étape intermédiaire amphibie dans la transition de des baleines de la terre à la mer », ont-ils ajouté, précisant toutefois que« les restes postcraniens [les os autres que le crâne] constitueraient le meilleur test de cette hypothèse ». Les scientifiques avaient tout lieu d'être prudents, mais le fait qu'une baleine en transition été trouvé était si prodigieux que des reconstructions complètes de Pakicetus parurent dans des livres, des magazines et à la télévision. Il a été présenté comme une créature ressemblant à un phoque aux jambes tronquées, un animal pris entre deux mondes.

Au cours des années 1990, les squelettes d'anciennes baleines, ou archéocètes, plus ou moins aquatiques, ont été découverts à une vitesse vertigineuse. Avec ce nouveau contexte, cependant, la forme trapue et en forme de sceau de Pakicetus décrite dans de nombreux endroits a commencé à avoir de moins en moins de sens. Puis, en 2001, JGM Thewissen et ses collègues ont décrit le squelette longtemps recherché (par opposition au crâne) de Pakicetus attocki . C'était un animal ressemblant à un loup, pas à un animal lisse et semblable à un phoque qui avait été imaginé à l'origine. Avec d'autres genres récemment découverts tels que Himalayacetus, Ambulocetus, Remingtonocetus, Kutchicetus, Rodhocetus et Maiacetus, il s'intègre parfaitement dans une collection d'archéocètes qui documentent de manière exquise le rayonnement évolutif des premières baleines. Bien qu'il ne s'agisse pas d'une série d'ancêtres et de descendants directs, chaque genre représente un stade particulier de l'évolution des baleines. Ensemble, ils illustrent comment toute la transition a eu lieu.

Les plus anciens archéocètes connus étaient des créatures comme Pakicetus, âgé de 53 millions d'années, et l' Himalayacetus, un peu plus âgé. Ils avaient l’air d’être plus chez eux sur la terre que dans l’eau, et ils ont probablement contourné les lacs et les rivières en pratiquant la pagaie pour chiens. Un million d'années plus tard, Ambulocetus vivait, une baleine précoce avec un crâne en forme de crocodile et de larges pieds palmés. Les remingtonocétides à long museau et ressemblant à des loutres sont ensuite apparus, y compris de petites formes comme Kutchicetus, âgée de 46 millions d'années. Ces premières baleines vivaient dans des environnements proches du littoral, des marais salés à la mer peu profonde.

À peu près au même moment que les remingtonocétides, il y avait un groupe de baleines encore plus aquatiques, les protocétides. Ces formes, comme Rodhocetus, étaient presque entièrement aquatiques, et certains protocetides ultérieurs, tels que Protocetus et Georgiacetus, vivaient presque certainement toute leur vie dans la mer. Ce changement a permis aux baleines pleinement aquatiques d’étendre leur gamme sur les rives d’autres continents et de se diversifier, et les basilosauridés plus élancés comme Dorudon, Basilosaurus et Zygorhiza ont peuplé les mers chaudes de l’Éocène supérieur. Ces formes ont finalement disparu, mais pas avant de donner naissance aux premiers représentants des deux groupes de baleines encore vivants, les baleines à dents et les baleines à fanons. Les premiers représentants de ces groupes sont apparus il y a environ 33 millions d'années et ont finalement donné naissance à des formes aussi diverses que le dauphin du fleuve Yangtsé et le gigantesque rorqual bleu.

Des études relevant du domaine de la biologie moléculaire contredisaient toutefois la conclusion des paléontologues selon laquelle les baleines avaient évolué à partir de mésonychidés. Lorsque les gènes et les séquences d'acides aminés des baleines vivantes ont été comparés à ceux d'autres mammifères, les résultats ont souvent montré que les baleines étaient plus étroitement apparentées aux artiodactyles, à savoir des ongulés à doigts comme l'antilope, le porc et le cerf. Encore plus surprenant était que les comparaisons de ces protéines utilisées pour déterminer les relations évolutives plaçaient souvent les baleines au sein de l'Artiodactyla comme les parents vivants les plus proches des hippopotames.

Ce conflit entre les hypothèses paléontologiques et moléculaires semblait insoluble. Les biologistes moléculaires n'ont pas pu étudier les mésonychidées, car elles n'avaient pas été retrouvées et aucune caractéristique du squelette ne permettait de relier de manière concluante les archéocètes aux artiodactyles anciens. Quels étaient les plus fiables, des dents ou des gènes? Mais le conflit n'était pas sans espoir de résolution. Beaucoup de squelettes des premiers archéocètes étaient extrêmement fragmentaires et manquaient souvent les os de la cheville et du pied. Un os de la cheville, l’astragale, avait le potentiel de régler le débat. Chez les artiodactyles, cet os a une forme immédiatement reconnaissable de «double poulie», une mésonychide caractéristique ne partage pas. Si l'astragale d'un archéocète ancien pouvait être trouvé, il fournirait un test important pour les deux hypothèses.

En 2001, les archéocètes possédant cet os ont finalement été décrits et les résultats sont indéniables. Les archéocètes avaient un astragale «à double poulie», confirmant que les cétacés avaient évolué à partir d'artiodactyles. Les mesonychids n'étaient pas les ancêtres des baleines et on sait maintenant que les hippopotames sont les plus proches parents vivants des baleines.

Des scientifiques ont récemment déterminé quel groupe d'artiodactyles préhistoriques donnait naissance à des baleines. En 2007, Thewissen et d’autres collaborateurs ont annoncé qu’Indohyus, un petit mammifère ressemblant à un cerf et appartenant à un groupe d’artiodactyles éteints appelés raoellidés, était le plus proche parent connu des baleines. En préparant le dessous du crâne d' Indohyus, un étudiant du laboratoire de Thewissen a cassé la section recouvrant l'oreille interne. Il était épais et fortement minéralisé, tout comme l'os des oreilles de baleine. L'étude du reste du squelette a également révélé qu'Indohyus avait des os marqués par un épaississement similaire, une adaptation partagée par les mammifères qui passent beaucoup de temps dans l'eau. En 2009, lorsque Jonathan Geisler et Jennifer Theodor ont associé les données fossiles à des données génétiques, un nouvel arbre généalogique de la baleine a été mis au jour. Les Raoellids comme Indohyus étaient les parents les plus proches des baleines, les hippopotames étant les parents les plus proches des deux groupes combinés. Enfin, les baleines pourraient être fermement enracinées dans l'arbre évolutif des mammifères.