Les plus anciens cœurs chambrés ont été découverts dans des fossiles d’Australie occidentale.
Les organes à deux chambres, qui datent d’environ 380 millions d’années, sont conservés dans de remarquables fossiles tridimensionnels d’anciens poissons blindés appelés placodermes, qui ont été les premiers vertébrés à développer des mâchoires il y a plus de 400 millions d’années. Ces poissons à mâchoires représentent un saut évolutif vers le plan corporel présent chez la plupart des animaux dotés d’une colonne vertébrale aujourd’hui, y compris les humains. Les fossiles révèlent qu’il n’a pas fallu longtemps pour que l’évolution se pose sur ce plan corporel de base : à ce stade de l’histoire de l’évolution, le cœur en forme de S dans les placodermes était déjà bien séparé des autres organes, logé près de la mâchoire nouvellement évoluée. . La séparation du cœur des organes abdominaux est encore visible aujourd’hui.
“Une grande complexité s’est produite dès le début de notre histoire évolutive en tant que vertébrés à mâchoires”, explique Kate Trinajstic, paléontologue à l’Université Curtin en Australie, qui a dirigé la nouvelle recherche.
Les fossiles de poissons contiennent également des foies et des intestins, ainsi que des estomacs si bien conservés que les plis de leur paroi sont encore visibles. Les organes sont les plus anciens conservés en trois dimensions chez tous les vertébrés à mâchoires. Ce type de préservation 3D est très rare, explique le co-auteur de l’étude, Per Ahlberg, paléontologue à l’Université d’Uppsala en Suède. Les placodermes de l’étude, qui ont atteint environ 10 pouces (25 centimètres) de longueur, chalutaient autrefois un ancien récif composé d’éponges et de stromatolites, des roches sédimentaires déposées par des micro-organismes. Lorsque les poissons sont morts, certains de leurs corps ont été lavés du récif dans des couches d’eau contenant très peu d’oxygène et beaucoup de sulfure d’hydrogène. Les bactéries de ces couches formaient un biofilm autour des corps, qui attirait les minéraux, enfermant les poissons dans une croûte protectrice qui les empêchait de s’aplatir comme la plupart des fossiles. “C’est un peu bizarre”, dit Ahlberg. “Vous regardez ces gars, et ils étaient probablement semi-minéralisés au moment où ils ont touché le fond marin.”
Trinajstic et son équipe avaient précédemment découvert des tissus musculaires minéralisés dans ces mêmes fossiles de placodermes. Ils l’ont fait en utilisant des techniques non invasives qui imagent les fossiles avec des faisceaux de rayons X et de neutrons. Les chercheurs savaient que les fossiles en contenaient probablement beaucoup plus. Pour la nouvelle étude, publiée le 15 septembre dans la revue La science, ils ont analysé les échantillons à l’European Synchrotron Radiation Facility de Grenoble, en France, et à l’Australian Nuclear Science and Technology Organisation. Les techniques d’imagerie de ces installations peuvent montrer des détails fins dans des structures qui ne diffèrent que subtilement de la roche environnante, explique Lara Maldanis, paléobiologiste postdoctorale et physicienne à l’Université de Grenoble Alpes, qui n’a pas participé à la nouvelle étude.
Pour des organes vieux de 380 millions d’années, les structures ne semblaient pas si étrangères à l’anatomie moderne. Les intestins étaient en spirale comme une brioche à la cannelle, et l’estomac avait une couche musculaire et une couche de glandes, indiquant que le poisson utilisait des sucs digestifs. Le foie à deux lobes était grand et a probablement aidé à maintenir la flottabilité du poisson, un peu comme le font les foies de requin aujourd’hui, dit Ahlberg. Le cœur avait deux chambres, semblables aux cœurs des vertébrés sans mâchoires tels que les lamproies, mais les chambres étaient empilées de sorte que l’oreillette soit vers le dos de l’animal et le ventricule vers sa poitrine. C’est un changement par rapport à l’arrangement observé chez les vertébrés sans mâchoires plus âgés, où les chambres sont orientées côte à côte, explique Maldanis, qui faisait partie d’une équipe brésilienne qui a signalé le tout premier cœur de vertébré fossilisé en 2016.
Trouver le cœur est particulièrement excitant, déclare José Xavier Nero, scientifique en chef de la santé de l’État brésilien de Ceará, qui était l’auteur principal de l’étude de 2016 mais n’a pas été impliqué dans les nouveaux travaux. Lui et son équipe ont trouvé leur cœur fossilisé dans un poisson du Brésil datant de 113 millions d’années.
“C’est vraiment très excitant”, déclare Xavier Nero. “Seulement six ans après notre découverte initiale, c’est formidable de voir que d’autres groupes sont également en mesure de faire rapport sur les cœurs fossiles. Le domaine est vraiment nouveau et nous avons vraiment besoin de données de haute qualité.
Aussi excitant, dit Trinajstic, est ce qui n’était apparemment pas là : les poumons. Bien que cela semble contre-intuitif, les poissons ont été les premiers animaux à développer des poumons. Certains, comme le poisson-poumon bien nommé, les utilisent encore pour respirer de l’air. D’autres ont subi une refonte évolutive et ont transformé leurs poumons en vessies natatoires, des poches remplies d’air qui assurent la flottabilité sous l’eau. Il n’y avait aucun signe de poumons dans les fossiles de placodermes, dit Trinajstic, suggérant que le développement de ces organes s’est produit chez les poissons osseux après qu’ils aient divergé des placodermes. (Les poissons cartilagineux, comme les requins, n’ont pas développé de poumons et utilisent plutôt leur foie pour la flottabilité, comme les placodermes l’ont apparemment fait.)
Les roches australiennes qui ont préservé les placodermes contiennent également des fossiles de nombreux autres types de poissons, dit Ahlberg, de sorte que les recherches futures se concentreront probablement sur la comparaison de l’anatomie 3D entre les espèces. Et les placodermes pourraient encore réserver d’autres surprises. « J’aimerais trouver un cerveau », dit Trinajstic.
