Les nouvelles découvertes pourraient expliquer les points chauds de la biodiversité dans les régions tectoniquement calmes

Si nous pouvions rembobiner la bande de l’évolution des espèces dans le monde et la faire avancer sur des centaines de millions d’années jusqu’à nos jours, nous verrions la biodiversité se regrouper autour de régions de troubles tectoniques. Les régions tectoniquement actives telles que les montagnes himalayennes et andines sont particulièrement riches en flore et en faune en raison de leurs paysages changeants, qui agissent pour diviser et diversifier les espèces au fil du temps.

Mais la biodiversité peut également s’épanouir dans certaines régions géologiquement plus calmes, où la tectonique n’a pas secoué la terre depuis des millénaires. Les Appalaches en sont un excellent exemple : l’aire de répartition n’a pas connu beaucoup d’activité tectonique depuis des centaines de millions d’années, et pourtant la région est un point chaud notable de la biodiversité d’eau douce.

Maintenant, une étude du MIT identifie un processus géologique qui pourrait façonner la diversité des espèces dans des régions tectoniquement inactives. Dans un article paru dans Scienceles chercheurs rapportent que l’érosion des rivières peut être un moteur de la biodiversité dans ces environnements plus anciens et plus calmes.

Ils plaident leur cause dans le sud des Appalaches, et plus particulièrement dans le bassin de la rivière Tennessee, une région connue pour sa grande diversité de poissons d’eau douce. L’équipe a découvert qu’à mesure que les rivières s’érodaient à travers différents types de roches dans la région, le paysage changeant poussait une espèce de poisson connue sous le nom de dard à nageoires vertes dans différents affluents du réseau fluvial. Au fil du temps, ces populations séparées se sont développées en leurs propres lignées distinctes.

L’équipe suppose que l’érosion a probablement poussé le dard à nageoires vertes à se diversifier. Bien que les populations séparées semblent extérieurement similaires, avec les nageoires teintées de vert caractéristiques du dard vert, elles diffèrent considérablement dans leur constitution génétique. Pour l’instant, les populations séparées sont classées comme une seule espèce.

“Donnez plus de temps à ce processus d’érosion, et je pense que ces lignées séparées deviendront des espèces différentes”, déclare Maya Stokes PhD ’21, qui a effectué une partie du travail en tant qu’étudiant diplômé au Département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes du MIT ( EAPS).

Le dard vert n’est peut-être pas la seule espèce à se diversifier en raison de l’érosion fluviale. Les chercheurs soupçonnent que l’érosion peut avoir poussé de nombreuses autres espèces à se diversifier dans tout le bassin, et peut-être dans d’autres régions tectoniquement inactives à travers le monde.

“Si nous pouvons comprendre les facteurs géologiques qui contribuent à la biodiversité, nous pouvons mieux la conserver”, déclare Taylor Perron, professeur Cecil et Ida Green de sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes au MIT.

Les co-auteurs de l’étude comprennent des collaborateurs de l’Université de Yale, de l’Université d’État du Colorado, de l’Université du Tennessee, de l’Université du Massachusetts à Amherst et de la Tennessee Valley Authority (TVA). Stokes est actuellement professeur adjoint à la Florida State University.

Poissons dans les arbres

La nouvelle étude est née du travail de doctorat de Stokes au MIT, où elle et Perron exploraient les liens entre la géomorphologie (l’étude de l’évolution des paysages) et la biologie. Ils sont tombés sur le travail à Yale de Thomas Near, qui étudie les lignées de poissons d’eau douce d’Amérique du Nord. Near utilise des données de séquences d’ADN recueillies auprès de poissons d’eau douce dans diverses régions d’Amérique du Nord pour montrer comment et quand certaines espèces ont évolué et divergé les unes par rapport aux autres.

Near a apporté une observation curieuse à l’équipe : une carte de distribution de l’habitat du dard à nageoires vertes montrant que le poisson a été trouvé dans le bassin de la rivière Tennessee, mais seulement dans la moitié sud. De plus, Near disposait de données sur la séquence d’ADN mitochondrial montrant que les populations de poissons semblaient être différentes dans leur composition génétique en fonction de l’affluent dans lequel elles se trouvaient.

Pour enquêter sur les raisons de ce schéma, Stokes a recueilli des échantillons de tissus de dards à nageoires vertes de la vaste collection de Near à Yale, ainsi que sur le terrain avec l’aide de collègues de TVA. Elle a ensuite analysé les séquences d’ADN de l’ensemble du génome et comparé les gènes de chaque poisson individuel à tous les autres poissons de l’ensemble de données. L’équipe a ensuite créé un arbre phylogénétique du dard vert, basé sur la similitude génétique entre les poissons.

À partir de cet arbre, ils ont observé que les poissons d’un affluent étaient plus liés les uns aux autres qu’aux poissons d’autres affluents. De plus, les poissons des affluents voisins se ressemblaient davantage que les poissons des affluents plus éloignés.

“Notre question était, pourrait-il y avoir eu un mécanisme géologique qui, au fil du temps, a pris cette espèce unique et l’a scindée en différents groupes génétiquement distincts?” dit Peron.

Un paysage changeant

Stokes et Perron ont commencé à observer une “corrélation étroite” entre les habitats du dard à nageoires vertes et le type de roche où ils se trouvent. En particulier, une grande partie de la moitié sud du bassin de la rivière Tennessee, où l’espèce abonde, est constituée de roches métamorphiques, tandis que la moitié nord est constituée de roches sédimentaires, où les poissons ne se trouvent pas.

Ils ont également observé que les rivières qui traversent la roche métamorphique sont plus abruptes et plus étroites, ce qui crée généralement plus de turbulences, une caractéristique que les dards verts semblent préférer. L’équipe s’est posée la question suivante : la répartition de l’habitat du dard à nageoires vertes aurait-elle pu être façonnée par un paysage changeant de type rocheux, à mesure que les rivières s’érodaient dans le sol au fil du temps ?

Pour vérifier cette idée, les chercheurs ont développé un modèle pour simuler l’évolution d’un paysage à mesure que les rivières s’érodent à travers divers types de roches. Ils ont alimenté les informations du modèle sur les types de roches dans le bassin de la rivière Tennessee aujourd’hui, puis ont exécuté la simulation pour voir à quoi ressemblait la même région il y a des millions d’années, lorsque davantage de roches métamorphiques étaient exposées.

Ils ont ensuite exécuté le modèle et observé comment l’exposition de la roche métamorphique diminuait avec le temps. Ils ont pris note en particulier de l’endroit et du moment où les connexions entre les affluents traversaient la roche non métamorphique, empêchant les poissons de passer entre ces affluents. Ils ont établi une chronologie simple de ces événements de blocage et l’ont comparée à l’arbre phylogénétique des dards verts divergents. Les deux étaient remarquablement similaires : les poissons semblaient former des lignées séparées dans le même ordre que lorsque leurs affluents respectifs se sont séparés des autres.

“Cela signifie qu’il est plausible que l’érosion à travers différentes couches rocheuses ait provoqué l’isolement entre différentes populations de dards verts et entraîné la diversification des lignées”, a déclaré Stokes.

Cette recherche a été soutenue, en partie, par le Terra Catalyst Fund et la National Science Foundation des États-Unis par le biais du programme de géochronologie AGeS et du programme de bourses de recherche pour les diplômés. Pendant son séjour au MIT, Stokes a reçu le soutien de la Martin Fellowship for Sustainability et de la Hugh Hampton Young Fellowship.