Les amniotes regroupent aujourd'hui les reptiles, les oiseaux et les mammifères ; autrement dit, la grande majorité des vertébrés terrestres. Leur apparition remonte à plus de 300 millions d'années, au cours du Carbonifère. Leur innovation majeure : l'œuf amniotique, qui protège l'embryon et permet de s'affranchir du milieu aquatique pour se reproduire.

Mais un autre caractère évolutif, plus discret, a été tout aussi déterminant : la respiration. Les premiers amniotes descendent d'ancêtres proches des amphibiens, qui respiraient en grande partie grâce à leur peau et à un système de « pompage » de l'air via la bouche et la gorge. Ce mode de respiration, encore largement utilisé par les amphibiens actuels, est efficace mais limité, notamment pour soutenir une activité prolongée sur la terre ferme.

Jusqu'à récemment, les scientifiques pensaient que la respiration costale (celle que nous utilisons aujourd'hui, basée sur les mouvements de la cage thoracique) s'était mise en place progressivement, sans que l'on sache précisément quand ni comment.

Le sternum et les côtes sternales des principaux groupes de vertébrés. © Reisz, R.R., Mooney, E.D., Maho, T. et al.

Un fossile exceptionnel révèle le plus ancien système respiratoire moderne

C'est là que des fossiles récemment découverts changent la donne. Dans une nouvelle étude publiée dans la revue Nature, une équipe de chercheurs s'est appuyée sur des fossiles remarquablement conservés de Captorhinus aguti, un petit reptile du Permien ancien vieux d'environ 289 millions d'années, afin de retracer l'histoire évolutive de notre système respiratoire moderne.

Ces spécimens ont été découverts dans le site de Richards Spur, en Oklahoma, un gisement unique où des conditions particulières (notamment l'absence d'oxygène et la présence d'hydrocarbures) ont permis une conservation exceptionnelle des tissus.

Pour explorer ces fossiles sans les altérer, les scientifiques ont utilisé la tomographie neutronique, une technique d'imagerie que l'on peut comparer à un scanner médical. Cette méthode permet de traverser la roche et de révéler des structures internes très fines, notamment les tissus mous fossilisés comme le cartilage ou la peau, habituellement invisibles. En reconstruisant des images en trois dimensions, les chercheurs ont pu « voir » l'anatomie complète de l'animal, sans le détruire.

Ils ont ainsi identifié un ensemble complet d'éléments liés à la respiration : sternum segmenté, côtes, structures intermédiaires et connexions avec la ceinture scapulaire (qui permet le mouvement des bras dans plusieurs directions). C'est la première fois qu'un système respiratoire costal complet est reconstitué chez un amniote aussi ancien : en quelque sorte, l'ancêtre direct de notre propre façon de respirer.

Reconstruction du squelette du spécimen de Captorhinus momifié. © Reisz, R.R., Mooney, E.D., Maho, T. et al.

Autre surprise majeure : la présence de traces de protéines fossiles, ces grandes molécules organiques constituant les briques fondamentales du vivant. En retrouver dans un fossile aussi ancien est exceptionnel, car elles se dégradent normalement rapidement après la mort. Ici, ces restes moléculaires sont près de 100 millions d'années plus anciens que les précédents exemples connus. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour étudier la biologie des organismes disparus bien au-delà de ce que l'on pensait possible.

Une innovation clé pour la conquête des continents

Les résultats suggèrent que la respiration costale était déjà bien établie chez ces premiers amniotes. Contrairement aux amphibiens, ces animaux pouvaient utiliser les muscles entre leurs côtes pour dilater leur cage thoracique et aspirer l'air profondément dans leurs poumons. Ce mode de respiration est beaucoup plus efficace, car il permet un apport accru en oxygène et une meilleure élimination du dioxyde de carbone. Il a probablement permis à ces animaux d'adopter un mode de vie plus actif, moins dépendant des environnements humides.

Cette innovation a joué un rôle déterminant dans la conquête des milieux terrestres. En améliorant leurs performances physiologiques, les amniotes ont pu explorer de nouveaux habitats et se diversifier rapidement, jusqu'à devenir les vertébrés dominants sur les continents.

En éclairant l'origine de ce mécanisme, cette découverte nous relie directement à ces lointains ancêtres : chaque respiration que nous prenons aujourd'hui porte en elle l'héritage d'une innovation vieille de près de 300 millions d'années.