Habelia, un prédateur fossile à tête "multi-outils
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Article de blog
Par Cédric Aria
Chercheur post-doctoral
L'animal rare Habelia optata, initialement décrit en 1912, est resté l'un des fossiles les plus problématiques du Cambrien moyen des schistes de Burgess, le gisement fossilifère exceptionnel de la Colombie-Britannique, vieux de 508 millions d'années (voir Habelia optata sur le site ROM Burgess Shale pour une vue d'ensemble). Notre nouvelle étude s'inscrit dans le cadre d'une réévaluation plus large des arthropodes du Shale de Burgess - animaux invertébrés au corps segmenté et articulé -, sur laquelle j'ai travaillé dans le cadre de mon doctorat à l'Université de Toronto/Musée royal de l'Ontario (ROM). Mon ancien directeur de thèse, Jean-Bernard Caron, conservateur principal de la paléontologie des invertébrés au ROM, et moi-même venons de redécrire cette espèce en détail, en nous basant principalement sur le nouveau matériel abondant conservé au ROM ainsi que sur la collection originale de Walcott au National Museum of Natural History de Washington, D.C.
Il s'agit d'un petit spécimen montrant le long cordier bipartite (à gauche) et la plupart des appendices dans les moindres détails, y compris les mâchoires avec de longues dents sous le bouclier de la tête. Les projections ramifiées à l'avant (à droite) sont interprétées comme les branches extérieures partiellement "détachées" des appendices de la tête. ROMIP64357.
Joanna Liang a ensuite été chargée de travailler sur des dessins techniques détaillés, y compris des animations 3D, dans le cadre de son master en communication biomédicale, un programme proposé par l'Institute of Medical Science de la faculté de médecine de l'université de Toronto. Le processus a duré près de 18 mois de va-et-vient entre nous, les paléontologues et l'illustratrice, pour aboutir à ce qui pourrait être considéré comme l'une des reconstructions 3D d'un animal cambrien les plus difficiles à réaliser sur le plan technique, parmi celles décrites jusqu'à présent.
Diagrammes détaillés de Habelia optata (type A). A. Vue ventrale de la tête. L'appendice postérieur droit a été enlevé pour montrer la morphologie des mâchoires ("gnathobases"). B. Vue latérale. C. Vue dorsale. D. Membres isolés du thorax en vue frontale, latérale et postérieure (de gauche à droite).
Animation de Habelia optata - Tête, mâchoires et membres. Démonstration de la complexité de son mécanisme d'alimentation Crédit : Animation de Joanna Liang, © Musée royal de l'Ontario
Animation de Habelia optata - Vue à 360°. Illustration de l'architecture spectaculaire de son corps. Crédit : Animation de Joanna Liang, © Musée royal de l'Ontario
Court métrage montrant le processus de reconstitution de Habelia optata - des observations de fossiles au modèle 3D. Crédit : Animation de Joanna Liang, © Musée royal de l'Ontario
Un ancien parent des chélicérates... ressemblant à un mandibule.
En résumé, la tête extrêmement complexe de Habelia formait un dispositif sensoriel, raptorial et masticatoire étonnamment efficace, adapté à un régime alimentaire durophage (régime basé sur des carapaces et des coquilles dures). Nous avons interprété l'espèce comme un prédateur actif qui vivait au fond des mers cambriennes et chassait de petites proies, dont peut-être de petits trilobites. Notre étude montre que Habelia optata appartient aux chélicérates, l'un des deux principaux groupes d'arthropodes modernes (comprenant les araignées, les scorpions, les limules, les acariens) et illustre une convergence morphologique spectaculaire et unique avec des espèces de l'autre sous-groupe d'arthropodes modernes : les mandibulates (comprenant les crevettes, les crabes, les mille-pattes, les insectes). La convergence morphologique est un phénomène qui implique l'évolution de similitudes entre des caractéristiques, malgré des origines différentes, généralement parce qu'elles remplissent des fonctions comparables. Les ailes des ptérosaures, des chauves-souris et des oiseaux, par exemple, sont convergentes puisqu'elles ont évolué indépendamment dans chacun de ces groupes.
La convergence va encore plus loin chez les Habelia, car les similitudes fonctionnelles avec les mandibulates ont principalement évolué à partir de membres différents.
Figure montrant l'évolution convergente des caractéristiques de la tête entre Habelia (A) et les mandibulates prédateurs (B : isopode, C : mille-pattes). Bien que ces caractéristiques chez Habelia aient une origine évolutive différente, elles remplissent des fonctions similaires. Vert : sensoriel/tactile ; Orange : masticatoire ; Bleu : maintien/manipulation.
Un corps blindé, mobile et efficace
Habelia optata est un arthropode bien armé d'environ 2 cm de long avec une queue aussi longue que le reste du corps et composée de deux pièces articulées. Son exosquelette est couvert de nombreuses épines/tubercules émoussées et de longues épines ornent également le dos derrière la tête.
Le corps est divisé en tête, thorax et post-thorax (c'est-à-dire sans abdomen au sens technique). La tête est particulièrement complexe et contient trois types d'appendices différents : une paire antérieure réduite, considérée comme le précurseur des chélicères, une série de cinq paires d'appendices très modifiés remplissant diverses fonctions, et une septième paire, postérieure, plus grande. Les appendices de la série de cinq sont constitués d'une grande plaque avec des dents (gnathobase) pour la mastication, d'une branche en forme de patte avec des soies et des épines pour la préhension et d'une branche allongée et mince modifiée en appendice sensoriel/tactile. Cette branche sensorielle n'est pas complètement "attachée" au reste de l'appendice comme elle devrait l'être (on ne sait pas comment elle est attachée à la tête), ce qui est très particulier chez les arthropodes.
Le thorax porte cinq paires de pattes biramiques. Le post-thorax porte des appendices arrondis probablement utilisés pour la respiration.
Que s'est-il passé ?
Parmi les chélicérates, on trouve des animaux très familiers : araignées, scorpions, moissonneurs, acariens et limules. Ils sont unis par une tête portant cinq paires de pattes et une paire d'appendices chélicères antérieurs servant à couper leur nourriture : les chélicères. Ces caractéristiques les distinguent de l'autre grand groupe d'arthropodes modernes, les mandibulates - tels que les crevettes, les crabes, les mille-pattes ou les insectes - qui, à l'inverse, possèdent des antennes sensorielles et des membres modifiés au niveau de la tête qui les aident à mastiquer leur nourriture. Les mandibulates qui se nourrissent d'autres arthropodes ou d'animaux à carapace en particulier (c'est-à-dire qui sont durophages), comme les homards, les crabes ou les mille-pattes, ont généralement ces appendices crâniens formant des séries de plaques (et en particulier les mandibules), ce qui leur confère de fortes capacités de broyage.
En revisitant Habelia optata, notamment grâce à du matériel fossile inédit du Musée royal de l'Ontario, nous avons découvert que cet arthropode longtemps problématique des schistes de Burgess était en fait un proche parent de l'ancêtre de tous les chélicérates. Bien qu'ils ne semblent pas former de pinces, les membres antérieurs d'Habelia sont petits et distincts d'une série de cinq autres paires d'appendices de la tête, et donc probablement des formes ancestrales de chélicères. Une septième paire d'appendices à l'arrière de la tête permet également d'expliquer l'origine de structures modifiées correspondantes chez les chélicérates, telles que les petits appendices appelés "chilaria" chez les limules.
Phylogénie simplifiée ("arbre de vie") montrant la relation entre Habelia et d'autres groupes d'arthropodes. L'étude montre qu'il s'agit d'un parent précoce des chélicérates - un groupe comprenant les araignées, les scorpions, les limules et les acariens.
Cependant, nous avons également constaté que Habelia convergeait remarquablement avec les mandibulates durophages : les appendices de la tête situés derrière les "proto-chélicères" sont plus petits et ne sont pas des pattes de marche, mais des épines et des raptors, et ils sont attachés à des plaques de mastication exceptionnellement grandes appelées "gnathobases". Contrairement aux limules, par exemple, ces plaques se chevauchent et se rapprochent parallèlement à la surface ventrale de la tête, comme chez les mandibulates. Les branches externes de ces appendices (exopodes), absentes chez les chélicérates modernes, sont ici présentes et modifiées en appareils sensoriels fins, rappelant les antennes des mandibulates. De plus, la septième paire d'appendices à l'arrière de la tête semble avoir rempli une fonction analogue à celle des maxillipèdes - des appendices supplémentaires chez les mandibulates aidant les autres membres de la tête dans la transformation de la nourriture.
Il est important de noter que ces ressemblances ne sont pas entièrement dues à la proximité d'Habelia avec le point de divergence entre les chélicérates et les mandibulates : il s'agit en partie de modifications secondaires de traits qui étaient déjà caractéristiques des chélicérates. Combinées à d'autres éléments de preuve, tels que le nombre élevé d'appendices de la tête, les modifications des branches des membres en pseudo-antennes et la forme des segments du tronc, ces observations suggèrent que l'origine des chélicérates a été marquée par une remarquable plasticité morphologique.
Cette structure exceptionnelle de la tête, ainsi que les pattes de marche bien développées dans le tronc, nous permettent d'imaginer qu'Habelia et ses parents (connus par des restes moins complets aux États-Unis et en Australie) étaient de petits prédateurs actifs des fonds marins du Cambrien, chassant les trilobites petits ou immatures et d'autres animaux à carapace. Cela confirme l'importance des carapaces et des coquilles dans l'évolution au cours de l'explosion cambrienne et élargit notre compréhension des écosystèmes à cette époque, en montrant un autre niveau de relation prédateur-proie et son impact déterminant sur l'apparition des arthropodes modernes.
Lien vers l'article (en accès libre) : https://bmcevolbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12862-017-1088-7
Dans l'actualité
http://www.cbc.ca/news/technology/habelia-fossil-burgess-shale-1.4460279
En savoir plus sur les schistes de Burgess :
