Un chercheur travaillant sur le site de La Brea Tar Pits a reconstitué les forêts d’il y a 56 millions d’années, révélant des parallèles inquiétants pour notre planète en plein réchauffement : le changement climatique a entraîné un brunissement généralisé des paysages terrestres — dans un contexte de taux élevés de CO₂ atmosphérique, de réchauffement planétaire et de baisse des précipitations provoqués par des rejets de carbone d’origine volcanique — et les arbres sont au cœur de ces transformations radicales.
« Nous rejetons du CO₂ dans l’atmosphère plus rapidement que ne le fait n’importe quel processus naturel connu », explique la paléobotaniste Dr Regan Dunn, directrice adjointe et conservatrice associée du Samuel Oschin Global Center for Ice Age Research (Centre mondial Samuel Oschin pour la recherche sur l’ère glaciaire) au sein des sites de La Brea Tar Pits et du Musée d’histoire naturelle du comté de Los Angeles. « La Terre n’a jamais connu un rejet de carbone au rythme que nous générons aujourd’hui. »
Pour comprendre l’effet qu’aura l’injection rapide de dioxyde de carbone dans l’atmosphère sur les écosystèmes forestiers futurs, il faut se tourner vers un passé lointain. Le parallèle le plus proche de nos rejets sans précédent de CO₂ dans l’atmosphère remonte à 56 millions d’années, lors d’un rejet massif et soudain de carbone survenu durant le Maximum thermique du Paléocène-Éocène (PETM en anglais). « Le PETM nous offre la meilleure perspective pour comprendre comment le climat et les écosystèmes terrestres réagissent à une injection massive de carbone, à une époque précédant la transformation de la planète par l’homme », précise Mme Dunn.
Afin de comprendre les conséquences de ce rejet de carbone ancestral, Mme Dunn et ses collègues ont reconstitué la canopée forestière de l’époque du PETM en s’appuyant sur des cellules de feuilles fossilisées ; il s’agit d’une modélisation inédite, décrite dans un nouvel article publié dans la revue Science.
Les chercheurs ont découvert que le PETM s’était caractérisé par un brunissement généralisé des paysages terrestres. Dans un contexte marqué par des niveaux élevés de CO₂ atmosphérique, un réchauffement climatique et une diminution des précipitations — eux-mêmes déclenchés par un rejet de carbone d’origine volcanique —, les espèces végétales ont migré vers le nord et le couvert forestier a régressé, accélérant ainsi l’érosion et perturbant le cycle de l’eau terrestre. Le changement climatique actuel, d’origine humaine, entraîne un rejet de CO₂ à une vitesse bien supérieure — d’un ordre de grandeur — à celle observée lors de cet événement passé. Les arbres sont au cœur de ces changements radicaux.
« On observe actuellement des épisodes de mortalité massive des arbres partout sur Terre, souligne Mme Dunn. Les forêts déclinent sous l’effet du réchauffement des températures, du stress hydrique, des infestations d’insectes et d’agents pathogènes, ainsi que des incendies de forêt ; lorsque l’on commence à perdre les arbres — qui agissent comme des sentinelles, à l’instar des canaris dans les mines de charbon —, c’est le signe d’un grave problème. Ce constat s’est vérifié de manière quasi universelle lors des cinq grandes extinctions de masse qu’a connues la Terre. »
Comment reconstituer une canopée préhistorique
Comment reconstituer une forêt vieille de plus de 50 millions d’années ? À l’aide de cellules foliaires fossilisées, appelées fragments de cuticule.
Dunn et son équipe ont utilisé ces fragments de cuticule pour calculer, pour la première fois, l’indice de surface foliaire (ISF). L’ISF mesure la proportion du ciel masquée par le feuillage, permettant ainsi aux chercheurs de quantifier la densité de la canopée forestière. Dunn et ses coauteurs ont calculé l’ISF de diverses forêts actuelles en Amérique du Sud et en Amérique centrale ; pour ce faire, ils ont installé un appareil photo équipé d’un objectif « fisheye » sur un trépied orienté vers le ciel, tout en récoltant des cuticules foliaires dans des échantillons de sol prélevés directement à l’aplomb de l’appareil.
« Ce qui me passionne dans l’indice de surface foliaire (ISF), c’est qu’il nous permet de dépasser les descriptions quelque peu subjectives de la végétation, telles que « forêt ouverte » ou « boisement ». Au lieu de cela, les feuilles elles-mêmes fournissent une estimation quantitative de la structure du couvert végétal, nous permettant de comparer des écosystèmes à l’aide d’une mesure objective et reproductible », explique Dunn. L’attribution d’une valeur numérique permet aux chercheurs de mesurer plus précisément les changements au fil du temps.
Avant cette étude, Dunn avait utilisé des phytolithes — des cellules végétales microscopiques riches en silice — pour mesurer l’ISF ; toutefois, une nouvelle méthode de calcul s’imposait pour les fragments de cuticule foliaire afin de tenir compte des biais de conservation propres aux différents types de fossiles. Pour mieux comprendre comment les arbres ont réagi à la flambée de CO₂ survenue lors du maximum thermique du Paléocène-Éocène (PETM), Dunn s’est intéressée à ces fragments de cuticule préservés dans des roches sédimentaires riches en matière organique, provenant du Wyoming.
La forme des cellules épidermiques d’une feuille reflète son exposition à la lumière solaire, qu’il s’agisse d’une feuille d’ombre située dans la partie inférieure de l’arbre — recevant moins de lumière — ou d’une feuille de la canopée située près de la cime, pleinement exposée aux rayons du soleil. Dunn a découvert que la forme des cellules foliaires est étroitement corrélée à la densité de la végétation (ISF). « Les feuilles qui se développent dans des forêts plus denses — dans des habitats plus ombragés — possèdent des cellules présentant un rapport d’allongement plus élevé ; elles sont plus allongées et plus étroites que les feuilles recevant davantage de lumière solaire », précise Dunn.
À la découverte des forêts fossiles du Wyoming
« J’adore dire à mes étudiants de premier cycle que le Wyoming possède les meilleurs gisements de fossiles au monde », déclare la co-auteure, le Dr Ellen D. Currano, paléoécologue, paléobotaniste et professeure à l’Université du Wyoming. « Ces travaux en apportent une nouvelle preuve. »
« La particularité du bassin de Hanna est qu’il s’agit d’un bassin houiller. On y trouve donc toutes ces roches riches en matière organique, comme les lignites et les charbons, qui font défaut ailleurs — par exemple dans le bassin de Bighorn, au nord-ouest du Wyoming — alors même que l’intervalle du PETM y est bien documenté, ajoute Dunn. C’est au sein de ces roches riches en matière organique que se trouvent les fragments de feuilles nécessaires pour reconstituer la canopée de la forêt d’autrefois. »
Les forêts du Wyoming ancien foisonnaient de séquoias de l’aube (Metasequoia) géants dominant platanes, aulnes, palmiers et autres espèces végétales subtropicales et tropicales, contrastant radicalement avec le paysage d’armoises que l’on observe aujourd’hui. Au cours de plus de dix années de recherches, Currano, Dunn et leur équipe ont recueilli des centaines d’échantillons dans le bassin de Hanna, recherchant méthodiquement des traces fossiles de ces forêts disparues, datant d’avant et d’après le PETM. En s’appuyant sur les fossiles du bassin de Hanna, Dunn, Currano et leurs collègues ont reconstitué l’histoire épique de ces forêts.
« Comprendre comment la structure des forêts a changé au cours du PETM est très important car cela nous renseigne sur la manière dont la croissance des plantes, la biomasse et la productivité sont affectées par l’ajout d’une grande quantité de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Il s’avère que trop de dioxyde de carbone est une mauvaise chose pour les forêts, car le réchauffement et le séchage qui l’accompagnent stressent les arbres et en tuent beaucoup, explique Currano. Nos travaux montrent qu’au cours du PETM, les couverts forestiers sont devenus plus ouverts, avec moins de grands arbres, et ce changement a affecté le climat, le cycle des nutriments, les intempéries et, bien sûr, les animaux qui habitaient les forêts. Nous commençons à observer des changements similaires dans les forêts se produisant aujourd’hui, en particulier en Amazonie, et les archives végétales fossiles du Wyoming nous donnent un aperçu de la direction que pourrait prendre la Terre. »
Une Terre brunissante
Les satellites mesurent notre ISF mondial moderne depuis les années 1980 et raconte une histoire parallèle à la reconstruction du PETM.
« La Terre est sur une trajectoire de verdissement en raison des émissions anthropiques de dioxyde de carbone qui ont fertilisé les plantes, explique Dunn. Mais à mesure que la Terre s’est réchauffée à cause de ces émissions, cette tendance au verdissement s’inverse et de nombreuses parties de la Terre brunissent désormais. Cela suggère que nous avons dépassé un seuil critique où l’augmentation des températures affecte désormais les forêts. »
Les travaux de Dunn et de ses collègues suggèrent que la poursuite du réchauffement climatique pourrait entraîner un brunissement généralisé des forêts terrestres, similaire à celui observé lors du PETM. Contrairement aux forêts antiques, les forêts actuelles sont confrontées simultanément à de multiples pressions d’origine humaine. Outre l’augmentation rapide du CO₂ atmosphérique et la hausse des températures, la déforestation, la fréquence et l’intensité croissantes des incendies de forêt, la fragmentation des habitats, les espèces envahissantes et les changements d’affectation des sols réduisent la résilience des forêts et limitent leur capacité de régénération. Ces facteurs de stress combinés menacent d’amplifier les émissions de carbone et la dégradation des écosystèmes au-delà des niveaux observés lors du PETM. Protéger et restaurer les forêts est donc essentiel non seulement pour la conservation de la biodiversité, mais aussi pour préserver l’un des remparts naturels les plus importants de la Terre contre l’accélération du changement climatique.
« Les arbres sont formidables. Toutes ces forêts absorbent pour nous des centaines de millions de tonnes de carbone chaque jour, ajoute Dunn. Mais lorsque l’on commence à perdre ces forêts, on perd aussi ces puits de carbone essentiels. Le PETM nous rappelle que, lorsque les forêts régressent, les conséquences se répercutent sur l’ensemble du système climatique. Nous aurions tout intérêt à les protéger et à les restaurer tant qu’elles peuvent encore contribuer à amortir le rythme sans précédent du changement climatique d’origine humaine. »
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Traduction d’un communiqué de presse du La Brea Tar Pits & Museum.
Regan E. Dunn, Marieke Dechesne, Brady Z. Foreman, Keifer Nace, Jenna M. West et Ellen D. Currano, Forest canopy decline under elevated CO₂ during the Paleocene-Eocene Thermal Maximum, Science, 13 August 2026.
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