Les fossiles d’une minuscule créature marine décédée il y a plus d’un demi-milliard d’années pourraient obliger un manuel scientifique à réécrire l’évolution du cerveau.
Une étude publiée dans Science – dirigée par Nicholas Strausfeld, professeur Regents au département de neurosciences de l’Université de l’Arizona, et Frank Hirth, lecteur de neurosciences évolutives au King’s College de Londres – fournit la première description détaillée de Cardiodictyon cattenulum, un animal ressemblant à un ver préservé dans les roches de la province du Yunnan, dans le sud de la Chine. Mesurant à peine un demi-pouce (moins de 1,5 centimètre) de long et initialement découvert en 1984, le fossile cachait jusqu’à présent un secret crucial : un système nerveux délicatement préservé, comprenant un cerveau.
À notre connaissance, il s’agit du plus ancien cerveau fossilisé que nous connaissions, jusqu’à présent. »
Nicholas Strausfeld, professeur Regents, Département de neurosciences de l’Université de l’Arizona
Cardiodictyon appartenaient à un groupe d’animaux éteints connus sous le nom de lobopodes blindés, qui étaient abondants au début d’une période connue sous le nom de Cambrien, lorsque pratiquement toutes les principales lignées animales sont apparues sur une période extrêmement courte entre 540 millions et 500 millions d’années. Les lobopodes se déplaçaient probablement sur le fond marin en utilisant plusieurs paires de pattes molles et trapues qui n’avaient pas les articulations de leurs descendants, les euarthropodes – grec pour « vrai pied articulé ». Les plus proches parents vivants actuels des lobopodes sont les vers de velours qui vivent principalement en Australie, en Nouvelle-Zélande et en Amérique du Sud.
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Un débat qui remonte aux années 1800
Fossiles de Cardiodictyon révèlent un animal avec un tronc segmenté dans lequel il y a des arrangements répétés de structures neuronales appelées ganglions. Cela contraste fortement avec sa tête et son cerveau, qui manquent tous deux de toute preuve de segmentation.
« Cette anatomie était complètement inattendue car les têtes et les cerveaux des arthropodes modernes, et certains de leurs ancêtres fossilisés, sont depuis plus de cent ans considérés comme segmentés », a déclaré Strausfeld.
Selon les auteurs, la découverte résout un débat long et houleux sur l’origine et la composition de la tête chez les arthropodes, le groupe le plus riche en espèces au monde dans le règne animal. Les arthropodes comprennent les insectes, les crustacés, les araignées et autres arachnides, ainsi que d’autres lignées telles que les mille-pattes et les mille-pattes.
« À partir des années 1880, les biologistes ont noté l’apparence clairement segmentée du tronc typique des arthropodes, et l’ont essentiellement extrapolé à la tête », a déclaré Hirth. « C’est ainsi que le champ est arrivé à supposer que la tête est une extension antérieure d’un tronc segmenté. »
« Mais Cardiodictyon montre que la tête primitive n’était pas segmentée, pas plus que son cerveau, ce qui suggère que le cerveau et le système nerveux du tronc ont probablement évolué séparément », a déclaré Strausfeld.
Les cerveaux se fossilisent
Cardiodictyon faisait partie de la faune de Chengjiang, un célèbre gisement de fossiles de la province du Yunnan découvert par le paléontologue Xianguang Hou. Les corps mous et délicats des lobopodes se sont bien conservés dans les archives fossiles, mais à part Cardiodictyon aucun n’a été examiné pour sa tête et son cerveau, peut-être parce que les lobopodes sont généralement petits. Les parties les plus marquantes de Cardiodictyon étaient une série de structures triangulaires en forme de selle qui définissaient chaque segment et servaient de points d’attache pour les paires de pattes. Ceux-ci avaient été trouvés dans des roches encore plus anciennes datant de l’avènement du Cambrien.
« Cela nous dit que les lobopodes blindés pourraient avoir été les premiers arthropodes », a déclaré Strausfeld, précédant même les trilobites, un groupe emblématique et diversifié d’arthropodes marins qui ont disparu il y a environ 250 millions d’années.
« Jusqu’à très récemment, la compréhension commune était que » les cerveaux ne se fossilisent pas « », a déclaré Hirth. « Donc, vous ne vous attendriez pas à trouver un fossile avec un cerveau préservé en premier lieu. Et, deuxièmement, cet animal est si petit que vous n’oseriez même pas le regarder dans l’espoir de trouver un cerveau. »
Cependant, les travaux des 10 dernières années, en grande partie réalisés par Strausfeld, ont identifié plusieurs cas de cerveaux préservés chez une variété d’arthropodes fossilisés.
Un plan de base génétique commun pour fabriquer un cerveau
Dans leur nouvelle étude, les auteurs ont non seulement identifié le cerveau de Cardiodictyon mais aussi comparé à ceux de fossiles connus et d’arthropodes vivants, y compris les araignées et les mille-pattes. En combinant des études anatomiques détaillées des fossiles de lobopodes avec des analyses des modèles d’expression génique chez leurs descendants vivants, ils concluent qu’un modèle commun d’organisation cérébrale a été maintenu du Cambrien jusqu’à aujourd’hui.
« En comparant les modèles d’expression génique connus chez les espèces vivantes », a déclaré Hirth, « nous avons identifié une signature commune de tous les cerveaux et comment ils se forment. »
Dans Cardiodictyontrois domaines cérébraux sont associés chacun à une paire caractéristique d’appendices céphaliques et à l’une des trois parties du système digestif antérieur.
« Nous avons réalisé que chaque domaine cérébral et ses caractéristiques correspondantes sont spécifiés par les mêmes gènes combinés, quelle que soit l’espèce que nous avons examinée », a ajouté Hirth. « Cela a suggéré un plan de base génétique commun pour fabriquer un cerveau. »
Leçons pour l’évolution du cerveau des vertébrés
Hirth et Strausfeld disent que les principes décrits dans leur étude s’appliquent probablement à d’autres créatures en dehors des arthropodes et de leurs proches parents. Cela a des implications importantes lors de la comparaison du système nerveux des arthropodes avec ceux des vertébrés, qui présentent une architecture distincte similaire dans laquelle le cerveau antérieur et le cerveau moyen sont génétiquement et développementalement distincts de la moelle épinière, ont-ils déclaré.
Strausfeld a déclaré que leurs découvertes offrent également un message de continuité à un moment où la planète change radicalement sous l’influence des changements climatiques.
« A l’heure où des événements géologiques et climatiques majeurs refaçonnent la planète, de simples animaux marins comme Cardiodictyon a donné naissance au groupe d’organismes le plus diversifié au monde – les euarthropodes – qui se sont finalement propagés à tous les habitats émergents sur Terre, mais qui sont maintenant menacés par nos propres espèces éphémères. »
L’article, « Le Lobopodien du Cambrien Inférieur Cardiodictyon Résout l’origine des cerveaux euarthropodes » a été co-écrit par Xianguang Hou du Yunnan Key Laboratory for Paleontology de l’Université du Yunnan à Kunming, en Chine, et Marcel Sayre, qui a des nominations à l’Université de Lund à Lund, en Suède, et au Département de biologie Sciences à l’Université Macquarie de Sydney.
Le financement de ce travail a été fourni par la National Science Foundation, le University of Arizona Regents Fund et le UK Biotechnology and Biological Sciences Research Council.
