Fossil Focus : Les premiers mammifères

par Elsa Panciroli1

Introduction:

L’étude des premiers mammifères est une partie passionnante de la paléontologie, qui nous renseigne non seulement sur les animaux étranges qui vivaient autrefois sur Terre, mais aussi sur la façon dont nos propres ancêtres ont évolué aux côtés des dinosaures. Les fossiles des premiers mammifères sont très rares et, souvent, nous ne trouvons que quelques dents et os, mais ces restes peuvent nous en apprendre beaucoup sur l’écologie et l’évolution des animaux. Les découvertes de squelettes plus complets, notamment en Chine, révèlent aujourd’hui que les premiers mammifères étaient plus prospères et plus diversifiés qu’on ne le pensait. Ils se sont spécialisés pour exploiter de nouveaux habitats, régimes alimentaires et modes de vie qui allaient conduire à leur succès final.

Je veux vous donner un aperçu des plus anciens mammifères : les mammifères de l’époque des dinosaures. Nous examinerons ce qui définit un animal comme un mammifère ; leur anatomie ; certains des groupes de mammifères vivants à l’époque des dinosaures ; et, enfin, ce que les dernières recherches scientifiques révèlent sur nos cousins éteints de l’ère mésozoïque.

Les  » reptiles ressemblant à des mammifères  » :

Les mammifères appartiennent à un groupe plus large d’animaux appelés cynodontes. Les premiers cynodontes sont parfois appelés  » reptiles ressemblant à des mammifères « , car ils ont évolué à partir de reptiles et possédaient encore de nombreuses caractéristiques reptiliennes dans leur squelette, mais ressemblaient déjà sensiblement à des mammifères. Les premiers cynodontes avaient probablement de la fourrure et des moustaches, et ont presque certainement pondu des œufs. Ils avaient de larges arcades zygomatiques (pommettes) ; c’est important car cela montre qu’ils avaient une quantité accrue de muscles autour des mâchoires, ce qui leur donnait plus de contrôle sur la mastication et la morsure que leurs ancêtres plus reptiliens.

Les premières dents des cynodontes étaient de forme complexe, et non de simples chevilles ou pointes comme les dents des reptiles. Les cynodontes ont également un palais secondaire – l’os qui forme le toit de la bouche et permet à ces animaux de respirer par le nez tout en mâchant les aliments. Ces changements dans la façon de manger sont importants pour l’évolution ultérieure des mammifères, car ils ont permis aux cynodontes de traiter la nourriture plus efficacement – de la mâcher en plus petits morceaux – et de tirer plus d’énergie de ce qu’ils mangeaient. Cela les a probablement aidés à devenir plus actifs et à sang chaud, avec des métabolismes plus élevés. Cependant, les premiers cynodontes n’avaient pas d’articulation de la mâchoire dento-squamosale (voir ci-dessous), et ils n’étaient donc pas de véritables mammifères.

Les cynodontes sont apparus à la fin de la période permienne, bien avant les premiers dinosaures. Ils ont survécu à une extinction massive qui s’est produite il y a 252 millions d’années, marquant la fin du Permien et le début du Trias. Ils ont réussi tout au long du Mésozoïque, mais leur succès est souvent négligé car nous avons tendance à nous concentrer sur les dinosaures et les reptiles marins et volants qui ont peuplé le monde pendant cette période. Les premiers mammifères sont apparus au Trias supérieur et se sont diversifiés au fil du temps. Le dernier groupe de cynodontes non mammaliens, les tritylodontes, a survécu aux côtés des mammifères jusqu’au début du Crétacé, avant de s’éteindre. Cela en fait l’un des groupes de cynodontes les plus aboutis (figure 1).

Qu’est-ce qui fait un mammifère ?

Avant d’aller plus loin, nous devons nous demander ce qu’est exactement un mammifère. Si quelqu’un vous demandait ce qui fait un mammifère aujourd’hui, vous énuméreriez probablement des caractéristiques telles que la fourrure ou les poils, la production de lait et le fait d’avoir le sang chaud. Cependant, pour un paléontologue spécialiste des mammifères du Mésozoïque – qui étudie les tout premiers mammifères et leurs ancêtres du Trias à la fin du Crétacé – il est très difficile de dire si ces animaux disparus depuis longtemps possédaient l’une de ces caractéristiques. Les paléontologues doivent s’appuyer sur les archives fossiles pour obtenir des preuves, et les caractéristiques telles que la fourrure et le sang chaud ne sont généralement pas directement préservées dans les archives rocheuses, nous devons donc plutôt regarder ce qui se conserve : les os et les dents.

Une caractéristique ou un trait que les paléontologues observent dans le squelette ou les dents est appelé un caractère. Ceux-ci sont utilisés pour décrire les différences entre différents groupes d’animaux. Il existe quatre caractères importants du squelette et des dents qui définissent les premiers mammifères :

– Modifications de la mâchoire – une articulation dento-squamosale
– Modifications de l’oreille – la formation de l’oreille moyenne
– Modifications des dents – remplacement dentaire diphyodonte, spécialisation des types de dents et occlusion dentaire précise
– Modifications de la taille du crâne et du cerveau – modifications du crâne, en particulier les régions frontale et pariétale, en raison de l’augmentation de la taille du cerveau

Ces changements dans la structure du squelette sont tous liés, l’un évoluant souvent à côté d’un autre, ou rendant possible le changement suivant. Examinons ces caractères squelettiques déterminants et découvrons ce qu’ils sont et pourquoi ils ont été vitaux pour l’évolution des mammifères.

Changements de la mâchoire :

Pour comprendre ce changement, nous devons d’abord examiner la mâchoire reptilienne, qui est composée de plusieurs os, dont le denté, l’angulaire et l’articulaire (figure 2). L’articulation de la mâchoire reptilienne se situe entre l’articulaire et l’os du crâne appelé le quadrate.

A l’inverse, chez les ancêtres des mammifères, le dentaire a grossi jusqu’à constituer la majeure partie de la mâchoire, tandis que les autres os de la mâchoire sont devenus beaucoup plus petits. Les différentes parties du crâne ont également été réorganisées. Finalement, l’articulation de la mâchoire a changé. Les mammifères ont développé une articulation entre l’os denté de la mâchoire et le squamosal du crâne (figure 2). C’est ce que l’on appelle l’articulation dento-squamosale, que l’on trouve encore chez les mammifères modernes, y compris les humains.

Bien qu’ils aient eu l’articulation dento-squamosale caractéristique des mammifères, certains des tout premiers mammifères ont également conservé leur articulation quadri-articulaire de la mâchoire ; ils avaient les deux en même temps. L’articulation quadrate-articulaire de la mâchoire a fini par disparaître entièrement chez les mammifères.

Changements dans l’oreille :

Que sont donc devenus les autres os de la mâchoire, l’angulaire et l’articulaire (figure 2) ? Chez les mammifères, ces os sont devenus progressivement plus petits jusqu’à ce qu’ils se détachent de la mâchoire et soient incorporés à l’oreille.

Un reptile possède un os stapès dans l’oreille, qui transmet le son du tympan à l’oreille interne (figure 2). Chez les mammifères, le quadrate et l’articulaire sont devenus plus petits et se sont déplacés à côté de l’étrier, et ces trois petits os ont servi à transmettre le son du tympan à l’oreille interne. Ces os forment l’oreille moyenne, et les deux os qui se trouvaient auparavant dans la mâchoire sont le malléus (articulaire) et l’incus (quadrate).

L’agencement des oreilles des mammifères est beaucoup plus sensible au son que celui des reptiles. Cela aurait eu de grandes implications pour la chasse ou la recherche de nourriture, la fuite des prédateurs et la communication. Le fait d’avoir une meilleure audition à différentes fréquences a probablement contribué à la diversité écologique des mammifères (voir ci-dessous).

Changements dans les dents:

Il y a trois caractéristiques importantes des dents des mammifères qui ont contribué au succès du groupe. La première est la dentition diphyodonte. Cela signifie que la première série de dents de « bébé » est remplacée par une série adulte permanente (comme chez les humains). On appelle parfois les dents de lait, car le moment où elles sont remplacées est lié à la durée pendant laquelle les jeunes se nourrissent du lait de leur mère. La production de lait est une autre caractéristique unique des mammifères. Les mammifères grandissent très rapidement lorsqu’ils sont jeunes, en particulier leur crâne, afin d’avoir l’espace nécessaire pour développer une dentition adulte le plus tôt possible. Une fois qu’ils ont ces dents, ils ne dépendent plus du lait de leur mère et peuvent se nourrir d’aliments pour adultes. De nombreux autres animaux, y compris les reptiles, sont polyphyodontes, ce qui signifie qu’ils remplacent leurs dents en permanence tout au long de leur vie, de nouvelles dents apparaissant tous les quelques mois.

La deuxième caractéristique est que les dents des mammifères ont tendance à être spécialisées en différents types (figure 2). Chez les reptiles, les dents ont généralement toutes une forme similaire, où qu’elles se trouvent dans la bouche. Elles ne servent donc qu’à une seule chose : attraper la nourriture. Chez les mammifères, les dents se sont spécialisées de sorte qu’il y avait des dents pour saisir la nourriture à l’avant de la bouche (incisives), des dents pour mordre (canines) et des dents pour couper et broyer à l’arrière de la bouche (prémolaires et molaires).

Cela nous amène à la troisième caractéristique des dents des mammifères : une occlusion précise. Cela signifie que les dents s’emboîtent étroitement les unes dans les autres et permet aux mammifères de traiter les aliments de manière sophistiquée, car les aliments sont broyés ou tranchés lorsque les dents se déplacent les unes contre les autres.

Ces trois caractéristiques vont de pair : si les dents ne sont remplacées qu’une seule fois, elles peuvent croître pour s’occlure précisément, ce qui signifie qu’elles peuvent se spécialiser pour pincer, broyer, trancher et mâcher dans différentes parties de la bouche. Tout cela permet aux mammifères de traiter efficacement leur nourriture, ce qui leur permet de devenir des spécialistes de l’alimentation et de tirer le maximum d’énergie de ce qu’ils mangent.

Changements dans le crâne :

Le cerveau des mammifères est sensiblement plus grand que celui des autres animaux par rapport à la taille du corps. En moyenne, le cerveau d’un mammifère moderne est environ dix fois plus grand que celui d’un reptile ayant une masse corporelle similaire. Les premiers mammifères avaient un cerveau environ une fois et demie plus gros que celui de leurs plus proches parents, les cynodontes non-mammifères (voir ci-dessus). Les différences sont particulièrement visibles à l’avant du cerveau, qui est non seulement plus grand, mais aussi plus complexe et plié que chez les autres animaux. L’une des raisons en est que les sens des mammifères sont devenus plus sophistiqués, en particulier leur odorat. Le bulbe olfactif, la zone du cerveau qui traite l’odorat, était beaucoup plus grand chez les premiers mammifères que chez leurs ancêtres. Il est probable que beaucoup des premiers mammifères étaient nocturnes et qu’ils avaient donc besoin d’un bon odorat pour chasser, éviter les prédateurs et se retrouver dans l’obscurité.

Le crâne a dû changer de forme pour s’adapter aux changements de taille du cerveau, en particulier dans les régions pariétale et frontale (figure 3). Pendant ce temps, les changements dans les dents et les mâchoires des mammifères signifiaient que les muscles de mastication et de morsure se déplaçaient également dans différentes positions et s’étendaient, de sorte que le crâne a également modifié sa forme pour le permettre. Le résultat était un crâne uniquement mammalien, différent de celui de tout animal ayant vécu auparavant.

Groupes de mammifères précoces :

Il existe de nombreux termes utilisés pour parler des premiers mammifères : mammaliamorphes, mammaliaformes, mammifères souches, mammifères précoces, Mammalia. Cela peut être très déroutant ! Ce qu’il faut retenir, c’est que ce sont tous des animaux de l’arbre immense et ramifié auquel nous appartenons également, et dont les racines se trouvent au Trias.

Les premiers mammifères avaient probablement de la fourrure, et pondaient presque certainement des œufs comme leurs ancêtres. Ils étaient en moyenne beaucoup plus petits que leurs ancêtres immédiats, les cynodontes non-mammifères. La plupart des mammifères sont restés de la taille d’une souris ou d’un blaireau jusqu’à l’extinction des dinosaures, il y a 66 millions d’années. Ils étaient probablement surtout nocturnes et se nourrissaient d’insectes au départ, mais au Jurassique moyen et au Crétacé (entre 174 millions et 66 millions d’années), ils se sont scindés en de nombreux groupes aux modes de vie, ou écologies, différents.

Les premiers groupes de mammifères comprennent les morganucodontes, les docodontes et les multituberculés, ainsi que les groupes qui comptent encore des membres vivants aujourd’hui, les australosphénidiens (les ancêtres des monotrèmes, comme l’ornithorynque) les métathériens (marsupiaux) et les euthériens (mammifères placentaires) (figure 4).

Morganucodonta:

Les morganucodontes comprennent plusieurs des toutes premières espèces de mammifères. Ils ont probablement évolué quelque part dans les terres du Nord à la fin du Trias et, au début du Jurassique, ils étaient plus ou moins répandus dans le monde. Il existe très peu de squelettes complets préservés, mais ceux qui le sont nous apprennent que les morganucodontes étaient de la taille d’une souris ou d’un rat (pesant jusqu’à 200 grammes) et qu’ils étaient des mangeurs d’insectes accomplis. Ils sont surtout connus pour leurs molaires distinctives, qui possédaient trois cuspides (les protubérances pointues à la surface des dents) en ligne (figure 4).

Docodonta:

Les docodontes constituent un groupe de mammifères particulièrement intéressant. Ils ont vécu du Jurassique moyen au Crétacé précoce, et la plupart avaient la taille d’un rat ou d’un furet. Ils avaient des molaires plus complexes que la plupart des autres mammifères primitifs (figure 4), avec des surfaces de cisaillement et de broyage qui ont évolué à nouveau dans les groupes de mammifères ultérieurs. Ils sont une ramification des mammifères qui n’ont pas laissé de descendants survivants, mais ce qui les rend si fascinants, c’est leur large éventail de modes de vie. Des découvertes faites en Chine révèlent que certains docodontes ont évolué pour devenir aquatiques, comme les loutres, et qu’ils se nourrissaient peut-être de petits poissons. D’autres étaient des creuseurs spécialisés, comme la taupe moderne, tandis que d’autres encore vivaient dans les arbres et se nourrissaient peut-être de sève (figure 5). Cela prouve que les mammifères s’épanouissaient pour exploiter différentes opportunités dans leurs écosystèmes (voir ci-dessous), ajoutant à notre compréhension de la diversité des premiers groupes de mammifères.

Multituberculés:

Les multituberculés doivent leur nom aux multiples  » tubercules  » (bosses) sur leurs molaires (figure 4). Ils avaient un crâne très semblable à celui d’un rongeur, et leurs dents étaient particulièrement efficaces pour broyer la nourriture. La plupart étaient de la taille d’une souris ou d’un rat, avec quelques espèces plus grandes, de la taille d’un chat domestique. Les multituberculés font partie des mammifères les plus durables de l’histoire de la Terre ; apparus au milieu du Jurassique, ils ont survécu à l’extinction des dinosaures et d’autres reptiles géants (l’extinction K-Pg, voir ci-dessous), et ont persisté jusqu’à il y a environ 40 millions d’années.

Euthériens:

Les humains appartiennent au groupe Eutheria, et nos origines remontent à l’époque des dinosaures (figure 4). Les mammifères euthériens sont placentaires, ce qui signifie qu’ils nourrissent leur bébé en développement dans l’utérus par le biais d’un placenta, et qu’ils donnent naissance à des petits vivants plutôt que de pondre des œufs. Ils possèdent des caractères uniques dans leur squelette qui les distinguent des autres groupes de mammifères. L’un des plus anciens fossiles euthériens connus est Eomaia scansoria, ce qui signifie  » mère Aurore qui grimpe  » (Figure 5).

Les dernières preuves fossiles – la diversité écologique:

Jusqu’à récemment, la plupart des premiers fossiles de mammifères n’étaient que des dents et des mâchoires individuelles, avec très peu de squelettes entiers préservés. Par conséquent, les gens pensaient généralement que tous les premiers mammifères étaient très similaires : petits, ressemblant plus ou moins à des souris et principalement insectivores.

Cependant, au cours des 20 dernières années, de nombreuses nouvelles découvertes de fossiles ont été faites, notamment en Chine (figure 5). Certains d’entre eux sont des squelettes complets, présentant même des impressions de fourrure. Ces fossiles nous indiquent que les premiers mammifères étaient beaucoup plus nombreux que ce que les paléontologues soupçonnaient auparavant. Au Crétacé, certains mammifères atteignaient la taille d’un blaireau ; certains mangeaient du poisson, d’autres des fruits, et certains mangeaient même des bébés dinosaures !

Nous savons maintenant qu’il existait des espèces capables de planer, comme Volaticotherium, en utilisant un lambeau de peau entre le bras et la jambe, comme le fait aujourd’hui un écureuil volant. Il y avait des nageurs comme Castorocauda, qui avait une queue aplatie comme une loutre, et des creuseurs ressemblant à des taupes comme Docofossor. Ces premiers mammifères exploitaient différentes niches écologiques dans l’environnement. Les changements intervenus dans leur squelette (voir ci-dessus) leur ont permis de s’adapter à des niches écologiques uniques. Cela prouve que, bien que les reptiles tels que les dinosaures aient été les plus gros animaux sur Terre au Trias, au Jurassique et au Crétacé, les mammifères ont également très bien réussi, vivant aux côtés des dinosaures pendant des millions d’années et finissant par les dépasser.

La fin des dinosaures – l’essor des mammifères modernes:

À la fin du Crétacé, il y a 66 millions d’années, a eu lieu une extinction de masse appelée l’événement d’extinction K-Pg (parfois encore appelé par son nom plus ancien, l’extinction K-T). Elle s’est produite lorsqu’un astéroïde a frappé la Terre juste au large des côtes du Mexique et a provoqué un changement climatique mondial massif. Les dinosaures se sont éteints (à l’exception des oiseaux), tout comme les reptiles volants, les reptiles marins et un grand nombre d’autres groupes d’animaux (dont beaucoup de mammifères). Cependant, les mammifères qui ont survécu se sont rétablis très rapidement. Les autres groupes d’animaux ayant disparu, il y avait beaucoup d’espace écologique vide, et les mammifères se sont rapidement adaptés pour le remplir. Ils sont devenus plus grands et ont commencé à se spécialiser en tant que carnivores, herbivores, coureurs et grimpeurs. En l’espace de 10 à 20 millions d’années, de nombreux groupes de mammifères modernes que nous connaissons aujourd’hui étaient apparus (Figure 6), y compris les premières baleines.

Certains affirment que les mammifères auraient pu évoluer dans ces niches écologiques même si les dinosaures n’avaient pas disparu. Ce n’est probablement pas vrai, car les dinosaures et les reptiles marins ont réussi à occuper la plupart de ces niches, en particulier les plus grands espaces de l’écosystème consacrés aux plantes et à la viande. Il est peu probable que les mammifères les remplacent sans une cause déterminante, telle qu’un événement d’extinction. Mais il est important de se rappeler que les mammifères ont connu un grand succès à l’époque des dinosaures.

Les mammifères sont apparus à peu près en même temps que les dinosaures, ont survécu à leurs côtés pendant 150 millions d’années, puis ont réussi à traverser une extinction massive qui a tué tant d’autres groupes d’animaux sur Terre. Leur anatomie unique leur a permis d’exploiter des rôles dans l’écosystème qui n’avaient jamais été remplis auparavant, et ils sont devenus l’un des groupes d’animaux vertébrés ayant la plus longue durée de vie et le plus grand succès sur Terre. Ils se sont diversifiés et ont occupé les écosystèmes de tous les continents, retournant même à la mer et prenant l’air.

Alors, la prochaine fois que quelqu’un vous dira que les petits mammifères sont ennuyeux, souvenez-vous des minuscules mammifères pionniers qui ont survécu même aux reptiles géants les plus puissants – et ont pris le contrôle du monde !

Suggestions de lectures complémentaires :

Hu, Y., Meng, J., Wang, Y. & Li, C. Les grands mammifères mésozoïques se nourrissaient de jeunes dinosaures. Nature 433, 149-152 (2005) DOI : 10.1038/nature03102

Kielan-Jaworowska, Z., Cifelli, R. L. & Luo, Z.-X. Mammifères de l’âge des dinosaures (Columbia University Press, 2004).

Luo, Z.-X. Transformation et diversification au début de l’évolution des mammifères. Nature 450, 1011-1019 (2007). DOI : 10.1038/nature06277

Pond, C. M. The significance of lactation in the evolution of mammals. Evolution 31, 177-199 (1977). DOI : 10.2307/2407556

1Université d’Édimbourg, École de géosciences, Kings Buildings, Édimbourg, Écosse, Royaume-Uni. Courriel : [email protected], poignée Twitter : @gsciencelady