Des scientifiques du MIT ont découvert que l’érosion fluviale peut favoriser la biodiversité dans les régions où l’activité tectonique est faible. L’étude, centrée sur le bassin de la rivière Tennessee, a révélé que l’érosion a diversifié les populations d’une espèce de poisson, ce qui pourrait indiquer un impact similaire sur d’autres espèces. Cette découverte souligne le rôle de la géologie dans la préservation de la biodiversité.
De nouveaux résultats de recherche pourraient expliquer les points chauds de la biodiversité dans les régions tectoniquement calmes.
Si l’on pouvait rembobiner la cassette de l’évolution des espèces dans le monde et la faire défiler sur des centaines de millions d’années jusqu’à aujourd’hui, on verrait la biodiversité se regrouper autour des régions en proie à des bouleversements tectoniques. Les régions à activité tectonique, telles que les montagnes de l’Himalaya et des Andes, sont particulièrement riches en flore et en faune en raison de leurs paysages changeants, qui divisent et diversifient 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 bouleversé la terre depuis des millénaires. Les Appalaches en sont un excellent exemple : La chaîne 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.
Aujourd’hui, une étude du MIT identifie un processus géologique qui pourrait façonner la diversité des espèces dans les régions tectoniquement inactives. Dans un article publié récemment dans la revue Science, les chercheurs indiquent que l’érosion fluviale peut être un moteur de la biodiversité dans ces environnements plus anciens et plus calmes.
Une étude du MIT sur le dard vert d’eau douce suggère que l’érosion fluviale peut être un moteur de la biodiversité dans les régions tectoniquement inactives. Crédit : Jose-Luis Olivares/MIT, photo du poisson par Isaac Szabo
L’équipe s’appuie sur les Appalaches méridionales, et plus particulièrement sur le bassin de la rivière Tennessee, une région connue pour sa grande diversité de poissons d’eau douce. L’équipe a découvert qu’au fur et à mesure que les rivières s’érodaient à travers les différents types de roches de la région, le paysage changeant poussait une espèce de poisson connue sous le nom de dard vert vers différents affluents du réseau fluvial. Au fil du temps, ces populations séparées ont évolué vers des lignées distinctes.
L’équipe suppose que l’érosion a probablement conduit le dard vert à se diversifier. Bien que les populations séparées se ressemblent extérieurement, avec les nageoires vertes caractéristiques du dard vert, elles diffèrent considérablement dans leur composition génétique. Pour l’instant, les populations séparées sont classées comme une seule espèce.
« Si ce processus d’érosion se poursuit, je pense que ces lignées distinctes deviendront des espèces différentes », déclare Maya Stokes PhD ’21, qui a effectué une partie du travail en tant qu’étudiante diplômée du département des sciences de la terre, de l’atmosphère et des planètes (EAPS) du MIT.
L’évolution du paysage du bassin de la rivière Tennessee a poussé une espèce de poisson connue sous le nom de dard vert vers différents affluents du réseau fluvial. Au fil du temps, ces populations séparées ont évolué vers leurs propres lignées distinctes. Crédit : Isaac Szabo
Le dard vert n’est peut-être pas la seule espèce à s’être diversifiée sous l’effet de l’érosion fluviale. Les chercheurs pensent que l’érosion a pu conduire de nombreuses autres espèces à se diversifier dans le bassin, et peut-être dans d’autres régions tectoniquement inactives dans le monde.
« Si nous pouvons comprendre les facteurs géologiques qui contribuent à la biodiversité, nous pourrons mieux la conserver », déclare Taylor Perron, professeur de sciences de la terre, de l’atmosphère et des planètes Cecil et Ida Green au MIT.
Les coauteurs 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). M. Stokes est actuellement professeur adjoint à l’université d’État de Floride.
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Les poissons dans les arbres
La nouvelle étude est issue 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 les travaux menés à Yale par Thomas Near, qui étudie les lignées de poissons d’eau douce d’Amérique du Nord. Near utilise des données de séquences d’ADN recueillies sur des 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 fait part à l’équipe d’une observation curieuse : une carte de répartition de l’habitat du dard vert montrant que ce poisson se trouvait dans le bassin de la rivière Tennessee, mais uniquement dans la moitié sud. De plus, Near disposait de données sur la séquence de l’ADN mitochondrial montrant que les populations de ce poisson semblaient avoir une composition génétique différente en fonction de l’affluent dans lequel elles se trouvaient.
Taylor Perron et Maya Stokes prélèvent des sédiments de cours d’eau. « Si nous pouvons comprendre les facteurs géologiques qui contribuent à la biodiversité, nous pourrons mieux la conserver », explique Taylor Perron. Crédit : Sean Gallen
Pour étudier les raisons de cette tendance, Mme Stokes a recueilli des échantillons de tissus de dard vert dans 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 a comparé les gènes de chaque poisson à ceux de tous les autres poissons de l’ensemble des données. L’équipe a ensuite créé un arbre phylogénétique du dard vert, basé sur la similarité génétique entre les poissons.
À partir de cet arbre, ils ont observé que les poissons d’un même affluent étaient plus proches les uns des autres que des poissons d’autres affluents. De plus, les poissons des affluents voisins étaient plus semblables les uns aux autres que les poissons des affluents plus éloignés.
« Notre question était de savoir s’il pouvait y avoir un mécanisme géologique qui, au fil du temps, a pris cette espèce unique et l’a divisée en différents groupes génétiquement distincts ». explique Perron.
Un paysage en mutation
Stokes et Perron ont commencé à observer une « corrélation étroite » entre les habitats du dard vert et le type de roche où il se trouve. 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 l’on ne trouve pas le poisson.
Les chercheurs ont également observé que les rivières traversant des roches métamorphiques 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 interrogée : La répartition de l’habitat du dard vert pourrait-elle avoir été façonnée par un paysage changeant de type de roche, les rivières s’étant érodées dans le sol au fil du temps ?
Daemin Kim et Maya Stokes prélèvent des échantillons de poissons. « Si l’on donne plus de temps à ce processus d’érosion, je pense que ces lignées distinctes deviendront des espèces différentes », déclare Maya Stokes. Crédit photo : Dan MacGuigan
Pour vérifier cette idée, les chercheurs ont mis au point un modèle qui simule l’évolution d’un paysage au fur et à mesure que les rivières s’érodent à travers différents types de roches. Ils ont fourni au modèle des informations sur les types de roches présents aujourd’hui dans le bassin de la rivière Tennessee, puis ont exécuté la simulation pour voir à quoi pouvait ressembler la même région il y a des millions d’années, lorsque davantage de roches métamorphiques étaient exposées.
Ils ont ensuite exécuté le modèle vers l’avant et observé comment l’exposition de la roche métamorphique s’est réduite au fil du temps. Ils ont noté en particulier où et quand les connexions entre les affluents traversaient des roches non métamorphiques, 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 distinctes dans le même ordre que celui dans lequel leurs affluents respectifs ont été séparés des autres.
« Cela signifie qu’il est plausible que l’érosion à travers différentes couches de roches ait provoqué l’isolement de différentes populations de dards verts et ait entraîné la diversification des lignées », explique Stokes.
« Cette étude est très convaincante car elle révèle un mécanisme beaucoup plus subtil mais puissant de spéciation dans les marges passives », déclare Josh Roering, professeur de sciences de la Terre à l’université de l’Oregon, qui n’a pas participé à l’étude. « Stokes et Perron ont révélé certains des liens étroits entre les espèces aquatiques et la géologie, qui sont peut-être beaucoup plus fréquents que nous ne le pensons.
Référence : « Erosion of heterogeneous rock drives diversification of Appalachian fishes » par Maya F. Stokes, Daemin Kim, Sean F. Gallen, Edgar Benavides, Benjamin P. Keck, Julia Wood, Samuel L. Goldberg, Isaac J. Larsen, Jon Michael Mollish, Jeffrey W. Simmons, Thomas J. Near et J. Taylor Perron, 25 mai 2023, Science.
DOI : 10.1126/science.add9791
Cette recherche a été soutenue, en partie, par le mTerra Catalyst Fund et la U.S. National Science Foundation par le biais du programme de géochronologie AGeS et du Graduate Research Fellowship Program. Pendant son séjour au MIT, Stokes a bénéficié du soutien de la Martin Fellowship for Sustainability et de la Hugh Hampton Young Fellowship.