Crises biologiques et évolution de la biodiversité — Exercices

Du rappel de cours à la synthèse. Difficulté croissante.

⏱ ~30 min✎ Sans calculatrice

1Connaissances fondamentales/ 4 pts

Répondez aux questions en vous appuyant sur vos connaissances.

Définissez une crise biologique (extinction de masse). Quel critère quantitatif est généralement retenu ?
Citez les deux grandes causes géologiques des crises biologiques. Donnez, pour chacune, un exemple de crise associée.
Quelle est la crise biologique la plus sévère connue ? À quelle époque a-t-elle eu lieu et quel pourcentage d'espèces marines a-t-elle éliminé ?

2Marqueurs géologiques de la limite K-Pg/ 5 pts

À la limite Crétacé-Paléogène (K-Pg, ~66 Ma), une coupe stratigraphique révèle : (1) disparition brutale de nombreux fossiles de foraminifères et de dinoflagellés ; (2) une couche argileuse de quelques centimètres enrichie en iridium (concentration 30 fois supérieure au bruit de fond crustal) ; (3) des grains de quartz choqué dans cette même couche ; (4) une chute marquée du rapport $\delta^{13}\text{C}$ dans les couches immédiatement supérieures.

Qu'est-ce qu'une discontinuité stratigraphique ? En quoi l'observation (1) en constitue-t-elle un exemple ?
L'iridium est très rare dans la croûte terrestre mais abondant dans les astéroïdes. Que conclure de l'observation (2) sur l'origine de la couche argileuse ?
Les grains de quartz choqué se forment uniquement sous des pressions supérieures à 10 GPa. Quel événement géologique peut seul produire de telles pressions ? Où le site correspondant a-t-il été identifié ?
Le rapport $\delta^{13}\text{C}$ reflète l'intensité de la photosynthèse océanique (une forte photosynthèse élève la valeur). Que traduit la chute observée en (4) ? Reliez ce résultat aux conséquences biologiques de l'impact.

3Lecture d'une courbe de diversité/ 5 pts

Une courbe de diversité marine (nombre de genres) du Cambrien à aujourd'hui présente : une augmentation progressive depuis −540 Ma ; cinq chutes brutales aux environs de −443 Ma (−85 %), −372 Ma (−75 %), −252 Ma (−96 %), −201 Ma (−80 %) et −66 Ma (−76 %) ; une remontée rapide de la diversité après chaque chute ; une diversité actuelle nettement supérieure à celle du Cambrien.

Identifiez les cinq crises visibles sur la courbe (nom et date approximative).
Qu'observe-t-on systématiquement après chaque crise ? Comment ce phénomène s'explique-t-il en termes de niches écologiques ?
La diversité actuelle est supérieure à celle du Cambrien malgré cinq crises majeures. Quelle conclusion générale tirer sur le rôle des crises dans l'évolution à long terme de la biodiversité ?

4Synthèse — Crise K-Pg et essor des mammifères/ 6 pts

Les dinosaures non-aviens dominent les écosystèmes terrestres depuis ~165 Ma avant leur disparition lors de la crise K-Pg (~66 Ma). Les mammifères, présents depuis le Trias (~220 Ma) mais confinés à des niches marginales (petits insectivores et omnivores nocturnes de moins de 10 kg), connaissent une diversification morphologique et écologique spectaculaire au Paléogène.

Quelles sont les deux causes géologiques de la crise K-Pg ? Décrivez brièvement le mécanisme par lequel chacune entraîne des extinctions.
Expliquez pourquoi la disparition des dinosaures non-aviens a permis la radiation adaptative des mammifères. Utilisez les notions de niche écologique et de radiation adaptative.
En vous appuyant sur cet exemple, rédigez une phrase synthétisant le lien entre crise biologique et renouvellement de la biodiversité.

Corrigé détaillé

1Connaissances fondamentales

Q1 $\text{Une crise biologique est la disparition rapide (à l'échelle géologique) d'au moins 75 \%}$ $\text{des espèces, touchant des groupes taxonomiques variés dans des milieux différents simultanément.}$

Q2 $\text{Cause 1 : impact météoritique — ex. crise K-Pg (~66 Ma, cratère de Chicxulub).}$ $\text{Cause 2 : volcanisme intense (trapps) — ex. fin Permien (~252 Ma, Trapps de Sibérie).}$

Q3 $\text{La crise la plus sévère est celle de la fin du Permien (~252 Ma) :}$ $\text{~96 \% des espèces marines et ~70 \% des espèces terrestres ont disparu.}$

2Marqueurs géologiques de la limite K-Pg

Q1 $\text{Discontinuité stratigraphique : rupture dans la succession fossilifère d'une coupe.}$ $\text{Ici, foraminifères et dinoflagellés présents sous la limite K-Pg n'apparaissent plus au-dessus : trace directe d'une extinction massive.}$

Q2 $\text{L'enrichissement en iridium (×30 le bruit de fond crustal) signe un apport extraterrestre massif :}$ $\text{lors de l'impact d'un astéroïde, l'iridium se disperse dans l'atmosphère et se dépose en une couche synchrone à l'échelle mondiale (anomalie d'Alvarez, 1980).}$

Q3 $\text{Seul un impact météoritique à haute vélocité génère des pressions supérieures à 10 GPa.}$ $\text{Le cratère de Chicxulub (péninsule du Yucatan, Mexique, ~180 km de diamètre) est le site d'impact identifié pour la crise K-Pg.}$

Q4 $\text{La chute du rapport isotopique du carbone traduit un effondrement de la photosynthèse océanique :}$ $\text{les poussières stratosphériques bloquent la lumière solaire → arrêt du phytoplancton → collapse des chaînes alimentaires marines et terrestres.}$

3Lecture d'une courbe de diversité

Q1 $\text{Cinq crises identifiables :}$ $\text{Fin Ordovicien (~443 Ma) ; Fin Dévonien (~372 Ma) ; Fin Permien (~252 Ma) ; Fin Trias (~201 Ma) ; Fin Crétacé / K-Pg (~66 Ma).}$

Q2 $\text{Après chaque crise : remontée rapide de la diversité = radiation adaptative.}$ $\text{Les extinctions libèrent des niches écologiques vacantes ; les espèces survivantes les colonisent en diversifiant morphologies et régimes alimentaires → spéciation accélérée.}$

Q3 $\text{Les radiations adaptatives post-crise génèrent plus d'espèces nouvelles qu'il n'en disparaît lors de la crise.}$ $\text{Les crises sont des moteurs du renouvellement de la biodiversité : en éliminant les groupes dominants, elles ouvrent la voie à de nouvelles lignées et augmentent la diversité totale à long terme.}$

4Synthèse — Crise K-Pg et essor des mammifères

Q1 $\text{Impact de Chicxulub : poussières stratosphériques → blocage lumineux → hiver d'impact → effondrement de la production primaire → extinctions en cascade.}$ $\text{Trapps du Deccan : émissions de CO2 et SO2 → réchauffement durable + pluies acides → stress prolongé sur les écosystèmes, amplifiant les extinctions.}$

Q2 $\text{Les dinosaures non-aviens occupaient toutes les niches de grands vertébrés terrestres (herbivores, carnivores, omnivores).}$ $\text{Leur disparition libère ces niches ; les mammifères, auparavant confinés à des niches marginales, les colonisent en diversifiant morphologie et régime alimentaire → radiation adaptative explosive au Paléogène.}$

Q3 $\text{Phrase de synthèse :}$ $\text{Les crises biologiques, en éliminant les groupes dominants et en libérant des niches écologiques, déclenchent des radiations adaptatives chez les survivants et constituent ainsi des moteurs du renouvellement de la biodiversité.}$