Laurence Bianchini
Grâce aux fossiles les paléontologues ont récolté de nombreuses informations sur les êtres vivants des temps anciens : leur physique, leurs organes etc. mais une information cruciale manquait : leur couleur originelle. Celle-ci ne pouvait malheureusement être déduite des fossiles sur lesquels elle s’était depuis longtemps effacée. Voilà ce qu’apprenaient les étudiants en paléontologie jusqu’à il y a peu de temps. Mais récemment deux études viennent de déterminer, pour la première fois, la couleur originelle d’oiseaux disparus depuis plus de 100 millions d’années, nous apportant des informations sur ces espèces disparues mais aussi sur l’évolution des oiseaux et des dinosaures. De fait, si Steven Spielberg pensait de nos jours réaliser un nouvel opus de Jurassic Park, il lui faudrait revoir la couleur de ces créatures préhistoriques !
Les fossiles des dinosaures sont l'objet d'étude des paléontologues. source : © Marcio Silva; - Fotolia.com
Le rôle clé de la couleur pour la survie d’une espèce
Généralement, les couleurs sont majoritairement issues des pigments d’un matériau.* (Il existe des exceptions comme certains papillons dont la couleur des ailes est issue de micro-structures réfléchissant la lumière.) Dans la nature, le pigment le plus commun s’appelle la mélanine, dont le type le plus couramment rencontré dans les tissus biologiques est l’eumélanine, responsable des pigments sombres. Dans le règne animal, la mélanine est responsable de la couleur des tissus mous (chairs, muscles, poils…) et ses fonctions sont multiples : protection contre les rayons ultra-violets (UV), contre des bactéries, mais aussi camouflage, attrait sexuel, communication… La mélanine est généralement contenue dans des « conteneurs », les mélanosomes, plutôt ronds ou allongés et dont la forme varie suivant le type de pigments contenus. Dans les tissus organiques, la distribution spatiale de la mélanine et sa concentration sont les facteurs de base déterminant la coloration.
Dans le règne animal la couleur est un facteur clé du processus de sélection sexuel avec, de fait, un impact majeur sur l’évolution des espèces. Dans la nature, au-delà d’attributs de séduction la couleur d’un animal lui confère des qualités de camouflage ayant aussi un impact sur la sélection naturelle.
La couleur des espèces joue un rôle important dans leur survie et leur évolution. Source : © rodolphe trider – Fotolia.com
Observations de la couleur des premiers plumages par microscopie électronique
Deux études datant de début 2010 misent à jour qu’il était possible, grâce à des études de la surface de tissus mous par microscopie électronique à balayage (MEB), d’observer des structures identifiées comme étant des mélanosomes ayant contenu les pigments du tissu [A,B]. En effet, une confrontation des traces de structures organiques observées dans les tissus mous fossiles avec les mélanosomes présents dans les plumes et tissus des oiseaux actuels ont permis de justifier que les structures observées étaient des mélanosomes et non des bactéries dont la taille est similaire (100 à 2000 nm de long). De plus, de précédentes études avaient déjà montré que les mélanosomes étaient très résistants aux dégradations physiques et chimiques. Ainsi, de par la forme, taille, densité et distribution des mélanosomes observés sur les fossiles, il est possible, dans une certaine mesure, de déterminer les pigments présents dans le tissu étudié puis d’en déduire la couleur originelle.
Dans les travaux [A,B], les équipes scientifiques ont distingué deux types de mélanosomes fossiles : les eumélanosomes responsables de couleurs très sombres (gris/noir) et les phaeomélanosomes de couleurs de roux-marron à jaune. Les premiers sont de formes allongées alors que les seconds sont de formes sphériques. Ainsi, une étude complète de 29 spécimens d’Anchiornis huxleyi (A. huxleyi) -dont le nom signifie, à juste titre, proche de l’oiseau- a permis, en 2010, de déterminer pour la première fois les couleurs que ce dinosaure arborait à la fin du Jurassique [B]. L’animal avait donc probablement le corps recouvert de plumes sombres avec des variations de teintes inattendues et surtout invisibles à l’œil. Les plumes de ses membres (ailes et pattes) composaient des bandes successives de couleurs sombres et claires. Enfin, il arborait une fière crête rousse devancée de plumes sombres tandis que sa tête était grise et constellée de tâches rousses au niveau des joues.
On constate donc que l’A. huxleyi exhibait des couleurs similaires aux oiseaux actuels et dont la signification devait être identique, lui permettant notamment un jeu de séduction nécessaire à la sélection naturelle. En effet, la qualité des couleurs de plumage serait significative de la santé des oiseaux. De plus, connaître les couleurs des diverses espèces éteintes permettrait d’améliorer considérablement notre compréhension de l’évolution du règne animal en étudiant les éléments communs aux espèces afin de déterminer leur ancêtre commun.
Notons un autre résultat capital : les structures étudiées ont été observées similairement sur des fossiles d’oiseaux et sur des fossiles de dinosaures confortant la thèse affirmant que les oiseaux descendent des dinosaures et que ces derniers auraient été recouverts d’un duvet précurseur de l’apparition des plumes. Ces résultats apportent donc des informations cruciales sur les espèces éteintes mais ont aussi des impacts sur de nombreuses autres études sur des espèces éteintes mais aussi des espèces contemporaines.
Néanmoins, les formes des mélanosomes peuvent légèrement varier d’une espèce à l’autre ou avoir subi des modifications structurelles au cours des évolutions ; il est donc crucial que ces résultats aient été confirmés et complétés.
Vue d’artiste du Confuciusornis sanctus basée sur les résultats de la source : Wogelius et al., ScienceExpress (C) et superposé aux traces fossilisées
Des traces d’éléments métalliques marqueurs de la présence de pigments
Le groupe de paléontologie de l’Université de Manchester (R.-U.) publia, en juin 2011 dans ScienceExpress, une étude approfondie de pigments de divers fossiles (oiseaux modernes et fossiles datant du crétacé, poissons, calmars) [C]. Dans cette étude, ils démontrent tout d’abord que la présence de métaux, dans le cas étudié le cuivre, dans les tissus mous et les plumes était corrélé à la présence d’eumélanine responsable de la couleur sombre.
L’étude se concentre notamment autour de deux espèces d’oiseaux datant d’environ 120 millions d’années : le Confuciusornis sanctus (C. sanctus) et le Gansus yumenensis, les oiseaux à bec sans dent les plus anciens qui soient connus à ce jour. Ces oiseaux peuplaient la Chine entre 110 et 140 millions d’années avant notre ère et avaient la taille des corneilles actuelles comme représenté sur la vue d’artiste ci-dessus.
Au moyen de techniques de diffraction synchrotron au SLAC à Stanford, les équipes de Manchester et du SLAC ont pu cartographier la distribution d’éléments chimiques métalliques sur la surface de fossiles. La figure ci-dessous montre (a) la distribution de calcium dans un spécimen de C. sanctus fossilisé et (b) les distributions en cuivre (rouge), calcium (bleu) et zinc (vert) sur sa surface.
Confuciusornis sanctus fossilisé : a) image de fluorescence de rayons X synchrotron par balayage rapide de la distribution de calcium dans un spécimen fossile de C. sanctus, une espèce d’oiseau vieille d’environ 120 millions d’années, b) fausses couleurs représentant la distribution des ions métalliques (cuivre=rouge, calcium=bleu, zinc=vert) sur le même fossile. Données obtenues à Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, image créée par Gregory Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory.
En comparant ces résultats à des mesures similaires sur des espèces actuelles, ils démontrent que les métaux ainsi observés sur les fossiles sont bien issus des tissus biologiques de l’animal et n’ont pas été produits par les processus de fossilisation.
La corrélation entre le cuivre et la mélanine procure une méthode pour identifier et cartographier les pigments à l’origine de la couleur des animaux fossilisés. Ces résultats suggèrent donc que le C. sanctus était sombre, notamment dans la région duveteuse du cou. Au contraire de cette zone duveteuse, les plumes de ses ailes ne contenaient qu’une faible quantité de mélanine ce qui signifie probablement que ses ailes étaient soit claires soit colorées d’un autre pigment comme le carotène. Les plumes de sa queue étaient probablement assez sombres.
Les résultats obtenus par diffraction sur les fossiles de rayonnements synchrotron ont été comparés à la méthode consistant à déterminer la forme des mélanosomes par microscopie électronique à balayage. Pour le C. sanctus fossile, la localisation de la mélanine suivant les deux méthodes coïncidait, confirmant la validité des techniques employées. Les scientifiques ont ainsi pu établir que la mélanine contenue dans leurs échantillons était exclusivement de forme allongée, spécifique de l’eumélanine ; l’oiseau C. sanctus était donc essentiellement gris foncé.
Ces deux méthodes sont complémentaires mais l’étude des pigments par diffraction synchrotron peut être utilisée dans tous les cas alors que la forme des mélanosomes, quant à elle, n’est pas toujours conservée. En effet, dans l’étude présentée dans ScienceExpress, la couleur du spécimen de G. yumenensis a pu être déterminée par diffraction car les éléments métalliques des pigments sont non-biodégradables par contre, les mélanosomes, eux, avaient depuis longtemps disparu de l’animal fossilisé.
La distribution des pigments sur le fossile permet donc de déduire certaines variations de teintes claires ou foncées ainsi que la présence de motifs (rayures, tâches...) mais les recherches sur la couleur des espèces éteintes sont loin d’être achevées. L’étude de nouvelles espèces, le développement de ces techniques et surtout la compréhension physicochimique des couleurs résultant de la présence de pigments permettront, dans les années qui viennent, de dépeindre un monde que nous ne pouvions qu’imaginer.
Des dinosaures unis, rayés ou tachetés ? source : © UGORENKOV_ALEKSANDR – Fotolia.com
En conclusion, les collaborations multidisciplinaires à l’origine des travaux présentés ont apporté de nouveaux éléments déterminants pour une meilleure connaissance des espèces éteintes. L’utilisation de la microscopie à balayage et du rayonnement synchrotron notamment, sont des méthodes non-destructrices qui ont permis pour la première fois de révéler les couleurs que portaient autrefois certaines espèces depuis longtemps disparues. Puisque la couleur joue un rôle important dans le processus de sélection naturelle, au-travers de la sélection sexuelle et d’aptitudes de camouflage, alors la connaissance des couleurs des espèces permettra une nouvelle analyse de l’évolution de ces espèces ainsi que de l’environnement dans lequel ils évoluaient (et se camouflaient). La connaissance des couleurs des espèces disparues apporte d’une part de nouvelles connaissances sur ces espèces mais aura un impact important sur d’autres sujets d’interrogation. Un autre exemple serait l’étude de l’évolution à très long terme des éléments dans l’organisme: mélanosomes, pigments, éléments radioactifs…
[A] Fossilized melanosomes and the colour of Cretaceous dinosaurs and birds, F. Zhang, S. L. Kearns, P. J. Orr, M. J. Benton, Z. Zhou, D. Johnson, X. Xu & X. Wang, Nature 463, 1075, 2010, https://www.nature.com/nature/journal/v463/n7284/abs/nature08740.html
[B] Plumage Color Patterns of an Extinct Dinosaur, Quanguo Li, et al., Science 327, 1369 (2010); https://www.sciencemag.org/content/327/5971/1369.abstract
[C] Trace Metals as Biomarkers for Eumelanin Pigment in the Fossil Record, R. A. Wogelius, P. L. Manning, H. E. Barden, N. P. Edwards, S. M. Webb, W. I. Sellers, K. G. Taylor, P. L. Larson, P. Dodson, H. You, L. Da-qing, U. Bergmann, ScienceExpress 10.1126/science.1205748, 30 June 2011, https://www.sciencemag.org/content/early/2011/06/29/science.1205748
En savoir plus :
(Vidéo) In living color, Jurassic CSI serie from National Geographic Chanel, 7 july 2011, https://www.natgeotv.com/int/jurassic-csi/galleries/in-living-color
A Pigment of our Imagination?, blog du chercheur P. L. Manning, 2011, http://dinosaursabbatical.blogspot.com/2011/06/pigment-of-our-imagination.html
Fossil feathers reveal dinosaurs’ true colours, Matt Kaplan, Nature News, 2010, https://www.nature.com.gate2.inist.fr/news/2010/100127/full/news.2010.39.html
The Lost World, Now in Color, Sverker Lundin, 2010, http://news.sciencemag.org/sciencenow/2010/01/27-02.html
X-rays Reveal Patterns in the Plumage of the First Birds, SLAC News Center, 2011,https://www6.slac.stanford.edu/news/2011-06-30-x-rays-reveal-patterns-plumage-first-birds.aspx
New Glimpse of the Color Palette of Long-Extinct Creatures, Barbara S. Moffet, National Geographic Daily News, 2011,https://blog.nationalgeographic.org/2011/06/30/new-glimpse-of-the-color-palette-of-long-extinct-creatures/
Bringing Prehistoric Colors Back to Life, M. Balter , Science Now, 2011, https://www.sciencemag.org/news/2011/06/bringing-prehistoric-colors-back-life
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