De nombreuses créatures peuvent utiliser des champs électriques pour communiquer, détecter les prédateurs ou étourdir leurs proies avec de puissantes décharges électriques, mais comment cette capacité est apparue était un mystère.

Notre nouveau papier, publié cette semaine dans la revue Paléontologie , détaille comment cette électroréception a pu évoluer chez les premiers animaux à colonne vertébrale.

Il révèle également à quel point de nouveaux types d'organes sensoriels étaient présents chez les anciens parents des requins et des poissons osseux, les poissons placodermes éteints.

Qu'est-ce que l'électroréception et comment fonctionne-t-elle ?

Les requins sont l'enfant d'affiche pour l'électroréception. Certaines espèces sont si sensibles aux champs électriques qu'elles peuvent détecter la charge d'une seule batterie de lampe de poche connectée aux électrodes 16, 000km de distance. Les grands requins blancs sont connus pour réagir à des charges d'un millionième de volt dans l'eau.

Les électrorécepteurs (appelés ampoules de Lorenzini) sont des tubes remplis de gelée qui s'ouvrent à la surface de la peau des requins. À l'intérieur, chaque tube se termine par une ampoule appelée ampoule. Si vous retirez la peau de la tête d'un requin, des centaines de ces bulbes peuvent être vus.

La gelée dans le tube est très conductrice, ce qui permet de transférer le potentiel électrique à l'ouverture des pores à l'ampoule à la base du tube. Les différences de tension à travers la membrane tapissant chaque ampoule provoquent alors l'activation des nerfs, envoyer des signaux au cerveau.

Les électrorécepteurs sont le plus souvent utilisés pour capturer des proies, par la détection des champs électriques générés par la proie. Par exemple, cela permet aux requins de trouver des proies cachées dans le sable.

Certains poissons ont également développé une électrocommunication complexe, par lequel ils communiquent grâce à la détection de signaux électriques produits par d'autres poissons.

Bien que mieux connu des requins, l'électroréception est également connue dans plusieurs groupes obscurs de poissons, y compris les poissons poumons, cœlacanthes, les étranges chimères, et les anciennes lamproies sans mâchoires.

En réalité, l'électroréception est étonnamment répandue chez les vertébrés, ce qui nous a conduit à rechercher sa présence chez les ancêtres des poissons vivants en étudiant des fossiles anciens.

Preuve fossile de l'électroréception

Les tomodensitogrammes à haute résolution nous ont permis de « disséquer numériquement » des fossiles bien conservés et de révéler des systèmes sensoriels préservés à l'intérieur des os. L'un des systèmes sensoriels les plus connus chez les poissons fossiles est le système de la ligne latérale, qui détecte les changements de pression dans l'eau. Les poissons utilisent ce système pour changer de direction en groupe sans s'écraser les uns contre les autres lorsqu'ils nagent dans un banc.

Mais entourant le système de lignes latérales de certains poissons fossiles se trouvait une autre série de petits trous. Les tomodensitogrammes ont révélé que leur structure interne était similaire aux électrorécepteurs des poissons vivants, et la position des pores correspond à la distribution des électrorécepteurs dans les poissons poumons vivants.

Un système complexe de tubes ramifiés (ci-dessous) semble avoir fourni des nerfs aux électrorécepteurs.

Ces anciens systèmes électrorécepteurs semblent avoir été particulièrement élaborés chez les poissons poumons fossiles. Les poissons-poumons sont un groupe ancien, qui survivent encore en Australie, Afrique et Amérique du Sud. Les poissons-poumons fossiles d'Australie datant de 400 millions d'années, exceptionnellement préservés, avaient des museaux couverts d'un réseau dense de ces électrorécepteurs.

D'autres fossiles de la même période montrent que les systèmes électrorécepteurs peuvent avoir été très divers. Par exemple, un autre poisson ancien, liés aux poissons à nageoires rayonnées appelés Ligulalepis , a une série de grandes fosses qui s'élargissent à la base, qui peuvent représenter des grappes d'électrorécepteurs.

Il apparaît maintenant qu'au début de l'évolution des vertébrés, les systèmes électrorécepteurs étaient divers et ont traversé une période d'expérimentation.

Certaines de ces premières expériences ont été couronnées de succès et persistent aujourd'hui. Par exemple, le cœlacanthe ( Latimeria ) est un poisson à nageoires lobées unique plus étroitement lié aux animaux terrestres que la plupart des autres poissons. Il possède un organe électrorécepteur spécialisé appelé organe rostral enfoncé dans sa boîte crânienne. Ceci est utilisé pour détecter les proies cachées dans de petites crevasses lorsque le cœlacanthe effectue son « poirier » caractéristique.

Nouveaux systèmes sensoriels inconnus

Nos études ont également révélé des systèmes sensoriels auparavant inconnus chez les poissons placodermes, un groupe éteint qui dominait les écosystèmes il y a environ 420 à 360 millions d'années. Ces systèmes sensoriels semblent être complètement uniques, bien qu'ils ne ressemblent pas à des électrorécepteurs.

Ceux-ci comprennent de grandes fosses sur la face inférieure de la joue, que nous avons nommé « l'appareil de Young » en l'honneur du chercheur australien en placoderme, le Dr Gavin Young, qui les a illustrés en détail pour la première fois à partir de fossiles en 3D trouvés près du barrage de Burrinjuck.

Bien que nous ne puissions pas confirmer à quoi ils ont été utilisés, le fait que ces fosses présentent un passage nerveux à travers l'os suggère qu'elles pourraient avoir abrité une sorte de système sensoriel inhabituel.

Plus nous étudions les anciens placodermes à mâchoires, plus nous découvrons à leur sujet que cela ne correspond tout simplement pas aux prédictions des premiers chercheurs qui pensaient qu'elles ressemblaient essentiellement à des requins.

Récemment, nous avons découvert que les membres les plus âgés du groupe avaient des mâchoires et des pommettes similaires aux premiers poissons osseux (osteichthyens). Les placodermes ont également révélé l'origine du visage des vertébrés, comment les organes sexuels ont évolué pour la première fois et quand la copulation des vertébrés est née.

La découverte inattendue de nouveaux types de systèmes sensoriels envoie également un signal évolutif indiquant qu'ils ne ressemblent pas à des requins et qu'ils sont en fait très distincts dans la façon dont ils perçoivent leur environnement.

Notre étude de ces poissons fascinants se poursuit alors que des fossiles de placodermes 3D encore plus étonnants sont découverts sur des sites australiens, et préparé en utilisant des méthodes de tomographie numérique et CT. Des travaux sont en cours ici en Australie qui révéleront bientôt de nouvelles informations sur l'anatomie de ces poissons jamais imaginées auparavant.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.