Plantes fossiles

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Le mot « plante » désigne les plantes terrestres ainsi que les plantes aquatiques, les mousses, les hépatiques et les algues. Bien que les champignons et les bactéries ne soient pas des plantes, ils sont souvent considérés comme telles. La paléobotanique consiste à étudier la vie d’anciennes plantes à l’aide de fossiles. On trouve des plantes fossilisées d’un bout à l’autre du Canada, des mousses de la Colombie-Britannique, vieilles de 45 millions d’années, aux forêts fossiles des îles Axel Heiberg et Ellesmere, dans l’Arctique canadien.

Débuts de la vie

Les premiers organismes qui apparaissent sur Terre ressemblent aux bactéries. Ils se nourrissent de molécules organiques, dont ils proviennent eux-mêmes, et de molécules formées par la combinaison de gaz carbonique, d’eau et d’azote accumulés depuis la formation des océans. L’évolution des plantes, organismes capables de synthétiser leur nourriture à partir de la lumière du soleil et de molécules inorganiques, est essentielle à leur survie.

Les plus simples photosynthétiseurs actuels sont les cyanobactéries, qui vivent dans presque tous les milieux et qui produisent, dans certains habitats aquatiques, les stromatolithes, des monticules formés de couches de sédiments. Les premières traces de vie sur Terre sont des stromatolithes vieux de 3 à 3,5 milliards d’années qui ont été trouvés dans l’Ouest de l’Australie, en Afrique du Sud et dans le Bouclier canadien.

Sur les rives du lac Supérieur, près de Kakabeka Falls, on a trouvé des stromatolithes, ainsi que les organismes microscopiques qui vivaient sur eux il y a 1,9 milliard d’années, conservés dans de la silice (une substance minérale dure). Ces organismes ressemblent beaucoup aux Cyanobactéries actuelles. Leur description par E. S. Barghoorn et S.A. Tyler en 1965 surprend les géologues et les biologistes de l’époque. En effet, on avait déjà formulé des hypothèses sur les premières formes de vie, mais les preuves de leur existence manquaient. Ces fossiles, qui constituent la première preuve indiscutable que la vie existait il y a si longtemps, stimulent la recherche de fossiles précambriens (plus vieux que 542 millions d’années) partout dans le monde.

Époque précambrienne : D’anoxique à oxique

Au cours de la plus grande partie du Précambrien (les éons archéen et protérozoïque), les cyanobactéries et les bactéries dominent la Terre. Les cyanobactéries libèrent de l’oxygène libre (O₂) et la chimie de l’environnement passe d’un milieu anoxique (sans oxygène libre), et donc viable seulement pour les organismes anaérobies, à un milieu oxique, dans lequel les organismes aérobies (qui ont besoin d’oxygène) peuvent désormais se développer.

Toutes les plantes et tous les animaux familiers, les humains y compris, sont aérobies et leur métabolisme nécessite de l’oxygène libre. La transition de conditions anoxiques à des conditions oxiques durant le Précambrien, il y a un milliard d’années, permet l’évolution de plantes et d’animaux complexes.

Le métabolisme aérobie permet l’évolution de diverses formes de vie à un rythme rapide et, semble-t-il, sans cesse croissant. Des organismes anciens comme les cyanobactéries doivent leur survie à leur adaptabilité remarquable dans un monde en perpétuelle transformation et aux habitats toujours disponibles pour des formes de vie aussi petites et aussi simples. Il existe peu de fossiles d’algues supérieures sauf ceux d’algues calcaires vertes et rouges. Depuis l’époque cambrienne, ces algues jouent un rôle important dans la construction et la cimentation de récifs, dont certains constituent des réservoirs naturels de pétrole au Canada.

Période silurienne : Premières plantes terrestres

L’invasion du milieu terrestre par les plantes depuis le milieu aquatique se produit au cours du Silurien supérieur (il y a 444 à 419 millions d’années). L’eau, d’une importance vitale pour les êtres vivants, est facilement accessible aux organismes aquatiques, mais les ancêtres des plantes terrestres doivent développer des mécanismes de conservation de l’eau pour survivre hors de celle-ci : une cuticule ou revêtement cireux étanche, des racines ou autres organes souterrains d’absorption de l’eau, un système de conduits pour le transport de l’eau et des organes reproducteurs étanches. La vie étant ainsi devenue possible sur la terre ferme, un habitat vaste et nouveau s’offre à toute espèce d’algue qui peut franchir la frontière eau-terre. Plusieurs groupes essaient probablement de s’adapter, mais seuls deux groupes, qui descendent des algues vertes, y parviennent : les bryophytes (mousses et hépatiques) et les plantes vasculaires (pourvues de tissus fibreux servant de support et permettant la circulation de l’eau).Les bryophytes, dont le mode de vie et la structure expliquent la petite taille, sont habituellement fragiles et se trouvent rarement sous forme de fossiles. Les plus anciennes mousses et hépatiques ont été trouvées dans les roches du Dévonien (vieilles de 419 à 359 millions d’années). Des fossiles de mousses trouvés en Colombie-Britannique et vieux de 45 millions d’années sont très semblables aux mousses actuelles et laissent croire que plusieurs espèces de bryophytes sont anciennes et évoluent très lentement.

Depuis la colonisation du milieu terrestre par les plantes au Silurien, aucun nouveau groupe de plantes terrestres n’évolue à partir des algues. La compétition avec les groupes déjà existants et de mieux en mieux adaptés devient trop forte.

Période dévonienne : Plantes vasculaires

Les plantes vasculaires sont les plantes terrestres dominantes pendant plus de 400 millions d’années. Elles évoluent constamment en raison des changements climatiques et environnementaux. Les plus anciennes plantes vasculaires, les Rhyniophytes, sont petites, nues, avec des ramifications rudimentaires, sans racines et sans feuilles. Elles donnent naissance à deux groupes qui s’épanouissent au début du Dévonien (il y a environ 419 à 393 millions d’années) : les Zostérophylles, habituellement couverts d’épines molles et les Trimérophytes, qui sont souvent pourvus d’une ramification complexe et d’un port arbustif. On trouve des fossiles bien conservés de ces groupes du début du Dévonien dans des sites fossilifères célèbres de Gaspé, au Québec, dans la baie des Chaleurs, au Nouveau-Brunswick et dans la vallée de l’Abitibi, près de la baie James, en Ontario.

Ces fossiles constituent une source d’informations intéressante sur la structure des plantes et sur leur évolution. J. W. Dawson est le premier à les étudier et à reconnaître leur importance. Sa découverte de ces plantes étranges et sans feuilles est longtemps ignorée puisque personne ne croit à l’existence d’un tel monde. Dawson persévère néanmoins et il est maintenant reconnu comme le fondateur de la paléobotanique du Dévonien.

Plusieurs nouveaux groupes de plantes terrestres évoluent du milieu du Dévonien (environ 393 à 383 millions d’années) jusqu’à sa fin (383 à 359 millions d’années). Les Zostérophylles donnent naissance à un groupe de plantes jadis diversifié dont les feuilles évoluent à partir de larges épines : les lycopodes et les espèces apparentées, y compris les lycopodes géants de la famille des Lépidodendracées. De leur côté, les Trimérophytes donnent naissance à de plus nombreux groupes de descendants, dont les feuilles sont formées à partir de ramifications modifiées : les prêles, dont les feuilles forment un cercle autour de la tige; les fougères, aux frondes composées; et les Progymnospermes, les ancêtres ligneux à spores libres des plantes à graines (voir phanérogames). Les Progymnospermes développent des tiges épaisses et ligneuses et forment les premières grandes étendues forestières, dont on découvre des restes préservés dans des roches dévoniennes de la baie Escuminac et de Gaspé au Québec, dans la région de Ghost River, en Alberta, dans les Hess Mountains, au Yukon et dans l’île d’Ellesmere, dans les Territoires du Nord-Ouest.

Périodes carbonifère et permienne

Le début de la période carbonifère est très différent du Dévonien puisque les mers inondent la plus grande partie du continent. On connaît peu de plantes fossiles provenant de cette époque au Canada. Lorsque les niveaux marins baissent, à la fin du Carbonifère, de grands marais se forment sur les anciens fonds marins. Les terrains houillers de Sydney et Pictou, en Nouvelle-Écosse, et de Minto, au Nouveau-Brunswick, sont des vestiges de ces marais de l’ère du charbon. Les fossiles de la fin du Carbonifère provenant de ces gisements, minutieusement étudiés par W. A. Bell, révèlent un monde étrange de lycopodes arborescents (lycopodes géants de plus de 30 m de hauteur) et de calamites (prêles géantes de 20 m de hauteur). Les branches de calamites, pourvues de feuilles en forme d’étoile qui s’enroulent autour du tronc, y sont abondantes et facilement identifiables. Les Cordaïtes, des espèces éteintes apparentées aux Conifères, sont les seules plantes ligneuses et résistantes des marais. Les fougères et les Ptéridospermées, bien que non apparentées, produisent un type semblable de feuillage. Quoique le Carbonifère (datant d’environ 359 à 299 millions d’années) soit souvent appelé « l’âge des fougères », plusieurs types de feuilles semblables à celles des fougères portent des graines et ne ressemblent donc qu’en apparence aux fougères.

Les plantes qui poussent dans les hautes terres arides du Carbonifère se fossilisent rarement. Les vrais conifères, les fougères rustiques, les Cycadophytes et les Ptéridospermées évoluent dans ces régions arides. Au cours du Permien (environ 299 à 252 millions d’années) et du Trias (252 à 201 millions d’années), il se produit une baisse des niveaux marins, une glaciation dans l’hémisphère Sud, et des conditions désertiques s’installent dans la plus grande partie de l’Amérique du Nord. Les plantes des marais du Carbonifère s’éteignent et les plantes adaptées aux conditions arides se développent.

De la période triasique à la période crétacée

L’ère des Conifères et des Cycadophytes qui, parallèlement à l’ère des dinosaures, dure plus de 100 millions d’années. Les forêts triasiques de Conifères, de Cycadophytes, de Cycadéoïdes, de fougères et de Ptéridospermées sont conservées dans les roches carbonifères des îles Axel Heiberg et d’Ellesmere. Lorsque les niveaux marins montent et que le taux d’humidité augmente durant le Jurassique (environ 201 à 145 millions d’années) et le Crétacé (145 à 66 millions d’années), ces plantes se répartissent dans les habitats disponibles. On trouve plusieurs fossiles du début du Crétacé en Colombie-Britannique et dans les terrains houillers de l’Ouest de l’Alberta (Dawson Creek, Canmore, Luscar et Grande Cache). Au début du Crétacé (145 à 101 millions d’années), les Ptéridospermées disparaissent après avoir donné naissance aux Angiospermes, les plantes à fleurs.

Progression des Angiospermes (plantes à fleurs)

Les premières Angiospermes ont des avantages sur les groupes contemporains (p. ex. cycle reproducteur rapide) qui en font des plantes très efficaces et de « mauvaises herbes » très bien adaptées à croître rapidement en envahissant le milieu. Ces adaptations, comme celles des fleurs qui attirent les Insectes pollinisateurs, se révèlent précieuses dans différents habitats. L’interaction entre les plantes à fleurs et les Insectes permet une incroyable diversification de ces deux groupes. Quelques-unes des premières plantes à fleurs connues se rencontrent dans les terrains houillers du Nord-Est de la Colombie-Britannique. En analysant la flore de la fin du Crétacé (environ 101 à 66 millions d’années) dans la région de Dawson Creek, en Colombie-Britannique, et de la rivière Milk, en Alberta, on remarque une dominance croissante des Angiospermes. Ces fossiles, qui ressemblent généralement à certaines Angiospermes actuelles, appartiennent à d’anciennes familles aujourd’hui éteintes, et leurs liens avec les groupes contemporains ne sont pas clairs.

À la fin du Crétacé, le climat se rafraîchit, les mers intérieures couvrant la majeure partie de l’Ouest canadien se retirent et les dinosaures disparaissent. On trouve également, entre les dépôts du Crétacé et du Paléogène, des preuves de l’extinction de plantes terrestres. Au cours de cette période d’extinction massive, la Terre est frappée par une météorite géante. Dans le Sud de la Saskatchewan, des débris de l’impact sont conservés dans les sédiments, entre les couches limitant le Crétacé et le Tertiaire, sous la forme d’argile pâle riche en éléments rares sur la Terre tels que l’iridium.

Période paléogène

Au début du Paléogène (66 à 56 millions d’années), la Terre entre dans l’ère des Mammifères. Parallèlement à la multiplication de ces derniers a lieu celle de la flore « moderne », constituée majoritairement de plantes à fleurs. On trouve des fossiles du début du Paléogène presque partout en Alberta (p. ex. à Red Deer River et dans les terrains houillers du lac Wabamun et de Robb à Coal Valley) et dans le Sud de la Saskatchewan (p. ex. dans la région de Eastend jusque dans les terrains houillers d’Estevan) et vers le nord jusqu’à l’île d’Ellesmere. Cette flore révèle une variété de plantes à fleurs, parmi lesquelles on compte des membres des familles des platanes, des bouleaux et des noyers, mais les plantes fossiles les plus abondantes sont le cercidiphyllum du Japon et le métaséquoïa de Chine, maintenant indigènes seulement dans le Sud-Est de l’Asie.

Au milieu de la période paléogène (56 à 34 millions d’années), il se produit un bref réchauffement climatique qui coïncide avec une diversification rapide des plantes à fleurs. Les fossiles de cette époque en Colombie-Britannique (régions de Princeton, Kamloops et Smithers) révèlent un nombre croissant de familles de plantes modernes et des espèces aujourd’hui éteintes de bouleaux, d’érables, de hêtres, de saules, de marronniers, de pins et de sapins.

Des forêts fossiles exceptionnellement bien conservées sur les îles d’Axel Heiberg et d’Ellesmere, dans l’Arctique canadien, illustrent clairement le contraste entre la végétation canadienne moderne et la flore d’une époque beaucoup plus chaude. Ces forêts fossiles, vieilles de 40 à 60 millions d’années, sont constituées de grosses souches, plusieurs de plus d’un mètre de diamètre, conservées là où elles ont poussé et encore enracinées dans un sol ancien. D’épais tapis de feuilles qui forment le sol de la forêt permettent aujourd’hui d’identifier les espèces de plantes qui l’habitent. Des forêts tourbeuses luxuriantes de séquoia et de chamaecyparis couvrent les basses-terres tandis que les hautes-terres sont dominées par des forêts mixtes de Conifères et de feuillus ressemblant aux forêts actuelles de l’Est de l’Amérique du Nord. Ces forêts poussent bien au-dessus du cercle polaire arctique, ce qui témoigne de la dérive des continents et d’une époque où il n’y avait pas de climat froid arctique au Canada.

Refroidissement planétaire

Le refroidissement global commence vers la fin de la période paléogène et atteint son apogée lors de la glaciation du Canada, il y a environ deux millions d’années. Les plantes fossiles de cette époque ne sont pas communes dans le Sud du Canada, mais dans le Nord (incluant les îles Banks, Meighen et d’Ellesmere) des lits de tourbe contenant des épinettes, des bouleaux, des noyers, des pins, des mélèzes et des mousses nous renseignent sur l’évolution des forêts boréales au Canada il y a plus de 20 millions d’années. Ces lits de tourbe fournissent également des informations sur la disparition définitive des forêts du Canada septentrional, lorsque le glacier continental commence à se former.

Époque glaciaire

Les glaciations du Pléistocène (il y a environ 2,58 millions d’années à 11 700 années) transforment complètement les paysages canadiens avec les avancées et les retraits répétés de couches de glace qui peuvent avoir jusqu’à 3 kilomètres d’épaisseur. Au cours des périodes interglaciaires, les forêts recolonisent les territoires dévastés. On trouve des restes bien préservés de flore interglaciaire dans l’argile exposée du Don Valley Brickyard, à Toronto. À cet endroit, la flore indique que pendant ces périodes, le climat du Canada est beaucoup plus doux que celui de l’actuelle période interglaciaire.

Présent

La dernière avancée glaciaire se termine il y a environ 10 000 ans. Le refroidissement et la glaciation planétaires éliminent les anciennes forêts nordiques du Canada. Plusieurs plantes trouvent refuge dans le Sud-Est de l’Amérique du Nord et en Chine, où leurs descendantes vivent encore. Les flores de ces deux régions se ressemblent encore même aujourd’hui. La majorité des plantes canadiennes actuelles sont des immigrantes récentes de régions qui n’ont pas subi la glaciation et ont un aspect très différent de celles des époques précédentes.