Comment les premiers mammifères ont prospéré aux côtés des dinosaures

La nuit tombe au début du Jurassique, il y a 185 millions d’années, et le Kayentatherium s’occupe de sa couvée fraîchement éclose. De fortes pluies martèlent la berge au-dessus de sa tanière tandis qu’elle surveille ses dizaines de petits. Elle a la taille d’un gros chat et pourrait facilement passer pour un mammifère, mais sa grande mâchoire, ses dents caractéristiques et l’absence d’oreilles externes la trahissent : c’est un cynodonte, un membre du groupe à partir duquel les mammifères ont évolué. À un moment donné, sans prévenir, le banc détrempé s’effondre, ensevelissant les petits et leur mère dans la boue.

Ils y sont restés jusqu’à l’été 2000, lorsqu’une équipe de chasseurs de fossiles dirigée par Timothy Rowe, de l’université du Texas à Austin, a découvert par hasard leurs os éparpillés parmi les roches de la formation Kayenta, dans le nord de l’Arizona.

Cette première rencontre avec les fossiles n’a guère impressionné les paléontologues. Ils ont déterré le bloc et l’ont renvoyé au laboratoire pour le mettre en sécurité. Ce n’est que neuf ans plus tard qu’un spécialiste préparant le fossile pour l’étudier a remarqué quelque chose de surprenant : incrustés dans le bloc se trouvaient de minuscules dents, et des os de mâchoire d’à peine un centimètre de long. « Ils ont immédiatement arrêté la préparation et réfléchi à des moyens d’examiner les bébés de manière non destructive », raconte Eva Hoffman, qui travaillait au Texas avec Rowe à l’époque et qui est aujourd’hui paléontologue à l’American Museum of Natural History de New York. Au lieu de percer la roche, Hoffman et Rowe ont extrait numériquement les os à l’aide d’un scanner de tomographie microcompactée (microCT), qui utilise des rayons X pour créer des images 3D à grain fin.

Ce qu’ils ont trouvé à l’intérieur de la roche, ce sont les premiers bébés connus de mammifères ou de leurs proches du Jurassique – et pas seulement un, mais 38 d’entre eux, ce qui place cette découverte parmi les plus importantes liées aux origines des mammifères faites au cours de la dernière décennie1. Kayentatherium se trouve à l’orée de l’état de mammifère – et les chercheurs affirment qu’il fournit des indications cruciales sur les traits qui définissent les mammifères et ceux qui étaient présents chez leurs parents antérieurs.

Le squelette de Kayentatherium ressemble à celui d’un mammifère à bien des égards, mais le fossile suggère qu’il se reproduisait encore très largement comme un reptile, donnant naissance à de grandes portées de petits cerveaux. En revanche, « les mères mammifères investissent beaucoup dans un plus petit nombre de bébés, chacun d’entre eux ayant plus de chances de survivre », explique Hoffman. Les bébés mammifères passent plus de temps sous la garde de leurs parents, développant des cerveaux relativement grands, alors que ces éclosions fossiles avaient des os et des dents bien développés, ce qui laisse penser qu’ils pouvaient se débrouiller seuls et n’étaient pas nourris au lait, comme tous les mammifères aujourd’hui.

La découverte fait partie d’une masse de découvertes au cours des 10-20 dernières années qui éclairent des étapes importantes de l’évolution des mammifères. Bien que des découvertes majeures émergent partout dans le monde, le plus grand nombre provient de Chine ; ensemble, elles ont bouleversé la croyance désormais datée selon laquelle les mammifères de l’ère des dinosaures étaient de petits insectivores sans particularité, survivant à l’ombre des reptiles géants.

Les fossiles ont révélé que les premiers mammifères étaient écologiquement diversifiés et expérimentaient le glissement, la nage, l’enfouissement et l’escalade. Les découvertes commencent également à révéler les origines évolutives de nombreux traits clés des mammifères – tels que la lactation, les gros cerveaux et les sens superbement aiguisés.

« L’explosion des découvertes de mammifères primitifs, en particulier en Chine, au cours des deux dernières décennies a été révélatrice, abrutissante et absolument éblouissante », déclare David Krause, paléontologue vertébré au Denver Museum of Nature and Science dans le Colorado.

Cette avalanche de découvertes suscite également des débats : certains chercheurs sont en désaccord sur les groupes de fossiles qui sont de véritables mammifères et sur la forme de l’arbre généalogique des mammifères. « Nous voulons comprendre notre histoire précoce dans le langage de la biologie évolutive, et c’est ce qui m’enflamme », déclare Zhe-Xi Luo, paléontologue à l’Université de Chicago dans l’Illinois. « C’est pourquoi tout ce domaine est si intéressant, parce que les archives fossiles s’améliorent de plus en plus, et que nous commençons vraiment à aborder certaines de ces questions. »

Sortir de l’ombre

En 1824, à la Société géologique de Londres, le naturaliste William Buckland présente les ossements de l’un des premiers dinosaures connus, le Megalosaurus. Lors de la même conférence, il a révélé de minuscules mâchoires de mammifères qui avaient été trouvées dans le même gisement de fossiles. Leur présence suggérait que les mammifères avaient une histoire très profonde, mais comme cela se produirait à plusieurs reprises, les découvertes de dinosaures ont complètement éclipsé celles de mammifères.

Le lent ruissellement des découvertes de mammifères dans le monde entier a continué pendant 150 ans. Puis, en 1997, des chercheurs ont décrit le premier mammifère ancien provenant des roches riches en fossiles du Liaoning, dans le nord-est de la Chine2, et les vannes se sont ouvertes. Depuis lors, une cinquantaine de spécimens presque complets et « magnifiques » ont été découverts dans cette région, selon Jin Meng, paléontologue au Musée américain d’histoire naturelle. Comme les fossiles de dinosaures, ils sont déterrés par les agriculteurs locaux et revendus aux musées.

Mais les dinosaures ont continué à bénéficier de la grande majorité de l’attention, explique le paléontologue Steve Brusatte, de l’université d’Édimbourg, au Royaume-Uni. « Ce n’est que très récemment, grâce aux travaux de Luo, Meng et d’autres, que les mammifères obtiennent leur dû. »

La plupart des fossiles de mammifères de Chine se sont formés lorsque les volcans ont enterré les animaux dans la cendre – et ils sont d’un détail exquis. Les fossiles de mammifères typiques de l’ère mésozoïque (il y a 252 millions à 66 millions d’années) ne sont guère plus que des dents et des fragments de mâchoires, mais les spécimens chinois ont souvent des squelettes entiers, avec fourrure, peau et organes internes. « Nous avons beaucoup de détails pour répondre à des questions scientifiques », explique Meng, Il souhaite comprendre l’évolution de l’oreille des mammifères, par exemple.

Les découvertes ont bouleversé les dogmes précédents. « On avait l’habitude de dire qu’à l’époque des dinosaures, les mammifères n’étaient absolument pas spectaculaires. Qu’ils n’étaient que des petites souris qui se faufilaient dans l’ombre », explique Brusatte. Mais ces animaux « subissaient leur propre explosion évolutive », poursuit-il.

Les mammifères sont apparus il y a au moins 178 millions d’années, et ont gambadé au milieu des dinosaures jusqu’à ce que la majorité de ces bêtes, à l’exception des oiseaux, soit anéantie il y a 66 millions d’années. Mais les mammifères n’ont pas dû attendre cette extinction pour se diversifier en de nombreuses formes et espèces. « Ces nouvelles découvertes documentent une énorme diversité écologique, jusqu’alors insoupçonnée », explique Richard Cifelli, paléontologue à l’université de l’Oklahoma à Norman.

Parmi les premières innovations que les chercheurs ont commencé à trouver sous forme de fossiles, il y a celles liées à la locomotion. En 2006, l’équipe de Meng a signalé le premier mammifère planeur3, le Volaticotherium, vieux de 164 millions d’années, dont les membranes alaires étaient faites de peau velue, comme les écureuils volants d’aujourd’hui. En 2017, l’équipe de Luo a ajouté Vilevolodon et Maiopatagaium4,5, qui vivaient à peu près à la même époque et appartenaient à un groupe appelé les haramiyidés. Ces animaux se faufilaient entre les arbres aux côtés de certains des premiers dinosaures volants, profitant de ressources alimentaires jusque-là inexploitables.

Les chercheurs ont découvert d’autres spécialisations dont ils supposaient qu’elles n’avaient évolué que plus tard : Agilodocodon pouvait grimper aux arbres et ronger l’écorce pour se régaler de sève6 ; Castorocauda, un riverain de la taille d’un ornithorynque, avait des pieds palmés et une queue semblable à celle d’un castor pour nager7 ; et Docofossor avait des pattes et des griffes pour creuser, et ressemblait à une taupe moderne8.

Ces mammifères s’étaient également adaptés à une multitude de régimes alimentaires, bien plus diversifiés que ce que l’on supposait auparavant. En 2014, Krause a décrit le Vintana de Madagascar9, semblable à une marmotte, un herbivore qui se nourrissait peut-être de racines et de graines. Et le carnivore Repenomamus, de la taille d’un carcajou, dont l’équipe de Meng a fait état en 2005, avait des os de bébés dinosaures dans son estomac10. Selon Meng, nombre de ces nouveaux mammifères fossiles appartiennent à des sous-groupes éteints depuis longtemps. Contrairement à la panoplie qui existait au Mésozoïque, les mammifères d’aujourd’hui ne se déclinent qu’en trois variétés : les placentaires, qui constituent la majorité des espèces et incluent les humains ; les marsupiaux, comme les kangourous et les koalas, chez qui la gestation dans l’utérus est brève et le développement se poursuit dans une poche ; et les monotrèmes qui pondent des œufs, représentés uniquement par l’ornithorynque et plusieurs échidnés. « Mais dans l’histoire géologique, il existait de nombreux autres groupes tels que les multituberculés, les triconodontes et les haramiyidés », explique Meng. « Les mammifères étaient en fait très diversifiés au Jurassique. »

Certains, comme le Juramaia, semblable à une musaraigne – décrit par l’équipe de Luo en 2011 et daté de 160 millions d’années – font partie des premiers mammifères placentaires et ont donc le potentiel d’être nos ancêtres11.

Et quelques mammifères de l’ère des dinosaures étaient aussi beaucoup plus grands que soupçonné. Repenomamus pesait de 12 à 14 kilos, et Vintana, de la taille d’un raton laveur, pesait 9 kilos. « C’est passionnant que nous ayons en quelque sorte brisé les vieux mythes selon lesquels les premiers mammifères provenaient d’un ancêtre généralisé très humble », déclare Luo.

Les découvertes ne proviennent pas uniquement de Chine. D’importants fossiles proviennent également des États-Unis, d’Espagne, du Brésil, d’Argentine, de Madagascar et de Mongolie. Certains des fossiles les plus intrigants et les plus anciens – ainsi que les plus grandes lacunes dans nos connaissances – concernent les continents méridionaux, où l’on ne connaît que cinq genres de mammifères mésozoïques et leurs proches, contre plus de 70 genres aux latitudes nord. Au cours des deux dernières décennies, le Brésil a livré plusieurs fossiles du Trias vieux de plus de 200 millions d’années. Guillermo Rougier, paléontologue à l’université de Louisville dans le Kentucky, les décrit comme des « découvertes incroyables » qui se situent juste à la cuspide entre les mammifères et leurs ancêtres cynodontes. « Ces formes montrent vraiment une progression très transitoire entre des choses qui sont typiquement non mammaliennes, et des choses qui ont à peu près toutes les caractéristiques des premiers mammifères. »

Les incontournables des mammifères

Les dernières découvertes offrent également des indices sur l’évolution des caractéristiques clés des mammifères. Par exemple, l’ouïe fine des mammifères est en partie due aux petits os de l’oreille moyenne – le marteau, l’enclume et l’ectotympan. Mais chez les ancêtres reptiliens des mammifères, ces os faisaient partie de la mâchoire et étaient utilisés pour mâcher et non pour entendre. Les précurseurs des mammifères, tels que Morganucodon, semblable à une musaraigne, datant d’il y a 205 millions d’années, arboraient un prototype de l’arrangement des mammifères qui permettait les deux fonctions12.

En 2011, Meng a signalé un intermédiaire13 : un spécimen de 120 millions d’années provenant de Chine et appartenant à un groupe de mammifères appelé eutriconodontes et nommé Liaoconodon hui (voir ‘Signes distinctifs des mammifères’). Le fossile de la taille d’un rat a révélé trois os de l’oreille moyenne, mais ils étaient encore attachés à la mâchoire par du cartilage. « La fonction auditive et la fonction de mastication n’étaient pas encore complètement séparées », explique-t-il. Il s’agissait d’une preuve tangible de la transition évolutive de la mâchoire à l’oreille.

Un autre trait unique des mammifères est la façon sophistiquée dont ils mâchent et ingèrent la nourriture en petits paquets, plutôt que d’avaler les choses entières comme le font les serpents et les alligators. Pour que cela soit possible, les mammifères ont évolué vers une grande variété de dents complexes pour mordre et broyer les aliments.

Mais lorsqu’ils sont bébés, les mammifères sont nourris d’une autre manière – en tétant les glandes mammaires de leur mère. « Tout notre groupe porte le nom de cette incroyable innovation biologique », explique Luo. La consommation de lait est rendue possible par la capacité de sucer et d’avaler, aidée par les os hyoïdes de la gorge et les muscles qui les soutiennent. Cet appareil forme également le larynx.

En juillet, Luo a publié un article révélant un docodonte de la taille d’un campagnol vieux de 165 millions d’années – un proche parent des vrais mammifères – dont les os hyoïdes de la gorge ont été préservés14. Microdocodon gracilis est le plus ancien animal connu pour avoir été capable de téter comme un mammifère moderne.

Ce niveau de détail est rare, et – comme pour l’étude des éclosions de Kayentatherium – le travail sur les os de l’oreille et de la gorge n’a été rendu possible que grâce aux progrès des techniques de balayage microCT, explique Krause. Cette technique a également révélé des détails sur les capacités olfactives et le cerveau des premiers mammifères. Ces révélations « insufflent la vie à ces premiers mammifères d’une manière qui était auparavant impossible et presque inconcevable », dit-il.

Une grande partie de la constellation de caractéristiques que nous considérons comme définissant les mammifères – dents complexes, excellents sens, lactation, petite taille de la portée – pourrait en fait avoir évolué avant les vrais mammifères, et assez rapidement. « De plus en plus, il semble que tout cela soit apparu au cours d’une très courte période d’expérimentation évolutive », explique Luo. Au moment où des créatures ressemblant à des mammifères se promenaient au Mésozoïque, dit-il, « la lignée a déjà acquis son aspect moderne et ses adaptations biologiques modernes ».

Drame familial

Bien que les experts soient d’accord sur de nombreux points, il y a encore beaucoup de débats sur la façon dont les premiers groupes de mammifères sont liés, et quels groupes sont de vrais mammifères. Cela entraîne des incertitudes sur la façon dont les traits clés ont évolué, dit Hoffman.

Un point d’achoppement entre Meng et Luo, qui ont chacun développé leur propre arbre évolutif, concerne les haramiyides. Meng pense que ce groupe précoce appartient aux vrais mammifères, alors que Luo est convaincu qu’il s’agit d’une branche secondaire. Les plus anciens haramiyidés connus datent de 208 millions d’années, au Trias. S’il s’agit de vrais mammifères, les origines des mammifères remontent au moins à cette époque – sinon, le plus ancien mammifère connu a 178 millions d’années, bien loin dans le Jurassique.

Des fossiles supplémentaires permettront de résoudre de telles questions, et apporteront d’autres surprises. Krause et Meng disent qu’ils étudient tous deux des fossiles passionnants, mais qu’ils n’ont pas encore publié leurs conclusions à leur sujet, et que des dizaines de spécimens non étudiés s’entassent dans les bureaux de leurs collègues chinois.

Les paléontologues ont de nombreux éléments sur leur liste de souhaits. Une caractéristique que Luo veut comprendre est le taux de croissance. Les reptiles grandissent lentement tout au long de leur vie, tandis que les mammifères croissent par à-coups dans leur jeunesse, puis atteignent un plateau. Il aimerait trouver une série de fossiles, des bébés aux adultes, pour observer ce phénomène. « C’est l’une des caractéristiques les plus critiques chez les mammifères qui aident à définir notre biologie », dit-il.

Hoffman et Meng sont tous deux d’accord pour dire que des embryons et davantage de bébés seraient des découvertes importantes – et, comme la découverte de Kayentatherium avec ses dizaines d’éclosions, ils nous aideraient à préciser la date d’apparition des petites portées de type mammifère. Le rêve de Meng est de trouver un mammifère en gestation. « C’est toujours dans mon esprit que je vais trouver un mammifère dont on peut voir à l’intérieur du squelette un squelette très délicat, qui est soit un œuf qui n’a pas éclos, soit un fœtus plus intéressant », dit-il.

Si la rafale de découvertes a appris quelque chose aux chercheurs, c’est que chaque découverte de fossile a le potentiel d’ajouter un chapitre à l’histoire de l’évolution, voire de renverser le récit dominant. « Nous sommes vraiment dans cette phase excitante, presque maniaque, où beaucoup de nouvelles preuves arrivent, et il faudra du temps pour en faire la synthèse », dit Brusatte.

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