La technologie laser déchiffre les fossiles de la « pierre de Rosette » et offre des indices sur les débuts de la vie

Loron et al.

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Au cœur de l'Aberdeenshire, en Écosse, près du paisible village de Rhynie, se trouve un écosystème fossile de renommée mondiale qui a captivé les scientifiques depuis sa découverte en 1912.

Préservé dans l'étreinte impénétrable du chert, une roche durcie composée de silice, le chert Rhynie offre une fenêtre sur le passé, originaire de l'ancienne période du Dévonien précoce, il y a environ 407 millions d'années (ma). Ce trésor géologique remarquable joue un rôle crucial dans l'élucidation des mystères de la vie sur Terre.

Aujourd'hui, armée de techniques d'imagerie non destructives de pointe, d'une analyse de données avancée et de la puissance de l'apprentissage automatique, une équipe de chercheurs s'est lancée dans une exploration révolutionnaire des collections de fossiles détenues par les musées nationaux d'Écosse, ainsi que les universités d'Aberdeen et d'Oxford.

Grâce à leur approche innovante, les scientifiques de l'Université d'Édimbourg ont dévoilé des informations sans précédent sur le chert de Rhynie qui pourraient révolutionner notre compréhension des échantillons les plus mal conservés.

Curieux d'approfondir l'impact de cette recherche sur notre compréhension du monde antique, Intéressant Ingénierie (IE) s'est associé au Dr Corentin Loron, l'un des principaux auteurs de l'étude.

"Les fossiles étudiés ici sont des spécimens de plantes, de champignons (le royaume qui comprend les champignons, les levures et les moisissures), de bactéries et d'animaux du chert Rhynie vieux d'environ 400 millions d'années, un site fossilifère dans l'Aberdeenshire, en Écosse, connu depuis longtemps pour son abondance exceptionnelle de fossiles", a décrit Loron à IE.

Elle a expliqué que les fossiles sont enfermés dans une matrice de silice - un minéral très dur - qui garantit qu'ils sont "préservés" à la fois morphologiquement et, comme son étude l'a révélé, moléculairement aussi.

"L'assemblage de chert de Rhynie est crucial pour l'étude de l'évolution de la vie sur les continents, car il contient de nombreux exemples précoces sans ambiguïté de certaines lignées biologiques", a-t-elle déclaré.

De cette façon, a-t-elle expliqué, l'assemblage de chert de Rhynie se qualifie comme un contrôle positif fort pour l'étude des signaux moléculaires dans les fossiles car le signal peut être comparé à l'organisme auquel il correspond.

"Dans un sens, cela fournit une clé pour comprendre des signaux plus cryptiques ou ambigus au sein de l'assemblage ou plus tôt dans le temps, tout comme la pierre de Rosette le permettait pour les hiéroglyphes", a-t-elle précisé.

Les fossiles ont été analysés par spectroscopie FTIR, qui signifie Fourier Transform InfraRed. "Dans cette technique, les échantillons sont tirés avec un laser infrarouge qui, traversant la matière fossile, va exciter les liaisons entre les atomes", a expliqué Loron.

Keshavana/Wikimedia Commons

En termes plus simples, la spectroscopie FTIR utilise la lumière pour identifier les molécules dans un échantillon ; cela aide les scientifiques à comprendre de quoi est fait l'échantillon.

Il fonctionne en projetant une lumière infrarouge sur un échantillon et en mesurant les longueurs d'onde de la lumière absorbée par les molécules de l'échantillon.

Chaque type de molécule a un modèle d'absorption unique, comme une empreinte digitale, que l'instrument peut détecter. L'instrument enregistre l'intensité de la lumière absorbée à différentes longueurs d'onde et la convertit en un spectre.

"Ces liaisons vont vibrer à différentes fréquences selon leur type (par exemple, une liaison entre deux atomes de carbone, ou entre un carbone et un oxygène) et leur groupe fonctionnel chimique", a déclaré Loron à IE.

"Le résultat sera un spectre montrant la composition chimique de notre matériau que nous pourrons exploiter pour reconstruire et comprendre sa structure moléculaire", a-t-elle ajouté. En d'autres termes, en comparant ce spectre à des spectres connus de différentes molécules, les scientifiques peuvent identifier la présence de composés spécifiques ou analyser la structure chimique d'une substance.

"Une approche que nous avons utilisée pour analyser ces spectres est une approche d'apprentissage automatique, qui est simplement une approche statistique supervisée", a-t-elle déclaré.

"Par exemple, nous apprenons à la machine à différencier le spectre d'un fossile X du spectre d'un fossile Y en indiquant ceci est X et ceci est Y (la formation). Ensuite, nous la testons en lui demandant comment elle classerait un autre ensemble de données non étiqueté."

Elle a révélé que dans leurs recherches, la machine avait réussi à faire la distinction entre les eucaryotes fossiles (y compris les champignons, les plantes et les animaux) et les procaryotes (bactéries).

Notamment, cette approche a ensuite été utilisée pour identifier des organismes auparavant déroutants dans l'écosystème de Rhynie, y compris deux spécimens d'un mystérieux organisme tubulaire connu sous le nom de "nématophyte".

Loron et al.

Ces formes de vie particulières, découvertes dans les sédiments du Dévonien (419 ma) et plus tard du Silurien (443 ma), présentent des caractéristiques à la fois d'algues et de champignons, ce qui rend leur classification difficile. Cependant, les découvertes récentes suggèrent qu'il est peu probable qu'ils appartiennent à des lichens ou à des champignons.

"Les nématophytes représentent un groupe "panier" qui comprend plusieurs fossiles pour lesquels l'affinité biologique n'est pas claire. Ils peuvent avoir une partie d'une plante, des bactéries ou des champignons, par exemple", a expliqué Loron.

"Les spécimens que nous avons étudiés dans notre travail possèdent une empreinte moléculaire dépourvue des caractéristiques qui caractérisent les empreintes digitales fongiques, d'où notre conclusion selon laquelle ils représentaient très probablement quelque chose de plus proche des plantes en termes de composition moléculaire."

Elle a affirmé que bien qu'il s'agisse d'une découverte importante pour les scientifiques qui étudient le chert de Rhynie, sa signification va au-delà. Surtout, cela confirme l'efficacité de leur approche lors de l'analyse de fossiles aux origines biologiques incertaines, ici et ailleurs.

"Nous avons montré comment une méthode rapide et non invasive peut être utilisée pour faire la distinction entre différentes formes de vie", a souligné le co-auteur principal, le Dr Sean McMahon de l'École de physique et d'astronomie et de l'École des géosciences de l'Université d'Édimbourg dans un communiqué de presse antérieur.

Loron a également dévoilé que la découverte la plus surprenante au cours de cette recherche était les résultats des analyses statistiques.

"Il est impressionnant de voir que malgré l'âge, le processus de fossilisation et l'influence écrasante des minéraux sur le signal enregistré avec notre instrument, les fossiles ont conservé une empreinte moléculaire de leur composition passée qui peut être captée et étudiée", a-t-elle déclaré.

Dans ce contexte, il est peut-être prudent de dire que les informations moléculaires contenues dans les fossiles ont survécu à l'épreuve du temps, offrant un aperçu unique du passé.

Lorsqu'on lui a demandé ce qui avait inspiré l'équipe à entreprendre cette étude, la réponse du Dr Loron a été limpide :

"La motivation de notre équipe est de comprendre comment la vie a évolué sur Terre, d'abord de la forme unicellulaire vers la forme multicellulaire, mais aussi plus tard, comment la vie a émergé des océans vers les continents."

"L'étude des premières formes de vie fournit non seulement de merveilleuses informations sur notre propre patrimoine biologique, mais nous donne également des clés pour comprendre comment le processus de la vie peut émerger et prospérer sur Terre, mais aussi potentiellement ailleurs dans notre univers", a-t-elle souligné.

Elle a reconnu que, comme pour de nombreuses études paléontologiques, l'équipe est confrontée à des limites dans ses interprétations en raison des transformations importantes que les fossiles ont subies par rapport à leurs organismes vivants d'origine.

"Parce que l'ADN ne peut pas être conservé dans des fossiles aussi anciens, nous ne pouvons baser nos conclusions que sur des caractéristiques morphologiques et moléculaires récalcitrantes, qui peuvent limiter et biaiser les conclusions", a-t-elle déclaré.

Cela dit, elle a également estimé que ces biais pourraient être surmontés en comprenant le contexte géologique dans lequel les fossiles se sont formés.

"Les prochaines étapes, en plus de poursuivre nos investigations sur ce merveilleux site fossile, consisteront à étendre notre approche aux assemblages plus anciens, par exemple, dans le Précambrien, la période antérieure à 540 millions d'années, pour déchiffrer le code moléculaire des premières traces de vie complexe sur Terre", a conclu Loron.