Une nouvelle recherche de Princeton montre que les requins mégadents préhistoriques - les plus gros requins qui aient jamais vécu - étaient des prédateurs au sommet au plus haut niveau jamais mesuré.

Les requins mégadents tirent leur nom de leurs dents massives, qui peuvent chacune être plus grosses qu'une main humaine. Le groupe comprend Megalodon, le plus grand requin qui ait jamais vécu, ainsi que plusieurs espèces apparentées.

Alors que les requins d'un type ou d'un autre existaient bien avant les dinosaures - depuis plus de 400 millions d'années - ces requins à mégadents ont évolué après l'extinction des dinosaures et ont régné sur les mers jusqu'à il y a à peine 3 millions d'années.

"Nous avons l'habitude de considérer les plus grandes espèces - les baleines bleues, les requins baleines, même les éléphants et les diplodocus - comme des filtreurs ou des herbivores, et non comme des prédateurs", a déclaré Emma Kast, titulaire d'un doctorat. diplômé en géosciences qui est le premier auteur d'une nouvelle étude dans le numéro actuel de Science Advances . "Mais Megalodon et les autres requins mégadents étaient vraiment d'énormes carnivores qui mangeaient d'autres prédateurs, et Meg s'est éteint il y a seulement quelques millions d'années."

Son conseiller Danny Sigman, professeur Dusenbury de sciences géologiques et géophysiques à Princeton, a ajouté :"Si Megalodon existait dans l'océan moderne, cela changerait radicalement l'interaction des humains avec l'environnement marin."

Une équipe de chercheurs de Princeton a maintenant découvert des preuves claires que Megalodon et certains de ses ancêtres étaient au plus haut échelon de la chaîne alimentaire préhistorique, ce que les scientifiques appellent le "niveau trophique" le plus élevé. En effet, leur signature trophique est si élevée qu'ils ont dû manger d'autres prédateurs et prédateurs de prédateurs dans un réseau trophique compliqué, affirment les chercheurs.

"Les réseaux trophiques océaniques ont tendance à être plus longs que la chaîne alimentaire herbe-cerf-loup des animaux terrestres, car vous commencez avec de si petits organismes", a déclaré Kast, maintenant à l'Université de Cambridge, qui a écrit la première itération de cette recherche comme un chapitre de sa thèse. "Pour atteindre les niveaux trophiques que nous mesurons chez ces requins mégadents, nous n'avons pas seulement besoin d'ajouter un niveau trophique - un prédateur au sommet de la chaîne alimentaire marine - nous devons en ajouter plusieurs au sommet de la nourriture marine moderne. web."

Le mégalodon a été estimé de manière prudente à 15 mètres de long (50 pieds), tandis que les grands requins blancs modernes dépassent généralement les cinq mètres (15 pieds).

Pour parvenir à leurs conclusions sur le réseau trophique marin préhistorique, Kast, Sigman et leurs collègues ont utilisé une nouvelle technique pour mesurer les isotopes d'azote dans les dents des requins. Les écologistes savent depuis longtemps que plus un organisme contient d'azote-15, plus son niveau trophique est élevé, mais les scientifiques n'ont jamais été en mesure de mesurer les infimes quantités d'azote conservées dans la couche d'émail des dents de ces prédateurs disparus.

"Nous avons une série de dents de requin de différentes périodes, et nous avons pu retracer leur niveau trophique par rapport à leur taille", a déclaré Zixuan (Crystal) Rao, étudiant diplômé du groupe de recherche de Sigman et co-auteur de l'article actuel. .

Le cannibalisme est une façon d'ajouter un niveau trophique supplémentaire ou deux, et plusieurs éléments de preuve le montrent à la fois chez les requins à mégadents et d'autres prédateurs marins préhistoriques.

La machine à remonter le temps à l'azote

Sans machine à voyager dans le temps, il n'y a pas de moyen facile de recréer les réseaux trophiques de créatures disparues ; très peu d'os ont survécu avec des marques de dents qui disent :"J'ai été mordu par un énorme requin."

Heureusement, Sigman et son équipe ont passé des décennies à développer d'autres méthodes, basées sur la connaissance que les niveaux d'isotopes d'azote dans les cellules d'une créature révèlent si elle se trouve au sommet, au milieu ou au bas d'une chaîne alimentaire.

"Toute l'orientation de mon équipe de recherche est de rechercher de la matière organique chimiquement fraîche, mais physiquement protégée, y compris l'azote, dans des organismes d'un passé géologique lointain", a déclaré Sigman.

Quelques plantes, algues et autres espèces au bas du réseau trophique ont maîtrisé le talent de transformer l'azote de l'air ou de l'eau en azote dans leurs tissus. Les organismes qui les mangent incorporent ensuite cet azote dans leur propre corps et, surtout, ils excrètent préférentiellement (parfois via l'urine) plus d'isotope plus léger de l'azote, N-14, que son cousin plus lourd, N-15.

En d'autres termes, le N-15 s'accumule, par rapport au N-14, à mesure que vous montez dans la chaîne alimentaire.

D'autres chercheurs ont utilisé cette approche sur des créatures d'un passé récent (les 10 000 à 15 000 ans les plus récents), mais jusqu'à présent, il ne restait pas assez d'azote chez les animaux plus âgés pour être mesuré.

Pourquoi? Les tissus mous comme les muscles et la peau ne sont presque jamais préservés. Pour compliquer les choses, les requins n'ont pas d'os, leur squelette est fait de cartilage.

Mais les requins ont un billet en or dans les archives fossiles :les dents. Les dents sont plus facilement préservées que les os car elles sont recouvertes d'émail, un matériau très dur qui est pratiquement insensible à la plupart des bactéries en décomposition.

"Les dents sont conçues pour être chimiquement et physiquement résistantes afin qu'elles puissent survivre dans l'environnement très réactif chimiquement de la bouche et briser les aliments qui peuvent avoir des parties dures", a expliqué Sigman. Et en plus, les requins ne se limitent pas à la trentaine de blancs nacrés que possèdent les humains. Ils grandissent et perdent constamment leurs dents (les requins des sables modernes perdent en moyenne une dent chaque jour de leurs décennies de vie), ce qui signifie que chaque requin produit des milliers de dents au cours de sa vie.

"Lorsque vous regardez dans les archives géologiques, l'un des types de fossiles les plus abondants sont les dents de requin", a déclaré Sigman. "Et dans les dents, il y a une infime quantité de matière organique qui a été utilisée pour construire l'émail des dents et qui est maintenant piégée dans cet émail."

Étant donné que les dents de requin sont si abondantes et si bien conservées, les signatures d'azote dans l'émail fournissent un moyen de mesurer l'état du réseau trophique, que la dent soit tombée de la bouche d'un requin il y a des millions d'années ou hier.

Même la plus grande dent n'a qu'une mince enveloppe d'émail, dont le composant azoté n'est qu'une infime trace. Mais l'équipe de Sigman a développé des techniques de plus en plus raffinées pour extraire et mesurer ces rapports isotopiques d'azote, et avec un peu d'aide de forets de dentiste, de produits chimiques de nettoyage et de microbes qui convertissent finalement l'azote de l'émail en oxyde nitreux, ils sont maintenant capable de mesurer avec précision le rapport N15-N14 dans ces dents anciennes.

"Nous sommes un peu comme une brasserie", a-t-il déclaré. "Nous cultivons des microbes et leur donnons nos échantillons. Ils produisent du protoxyde d'azote pour nous, puis nous analysons le protoxyde d'azote qu'ils ont produit."

L'analyse nécessite un système de préparation d'oxyde nitreux automatisé et personnalisé qui extrait, purifie, concentre et livre le gaz à un spectromètre de masse à rapport isotopique stable spécialisé.

"Cela a été une quête de plusieurs décennies sur laquelle j'ai participé, pour développer une méthode de base pour mesurer ces traces d'azote", a déclaré Sigman. De microfossiles dans les sédiments, ils sont passés à d'autres types de fossiles, comme les coraux, les arêtes d'oreille de poisson et les dents de requin. "Ensuite, nous et nos collaborateurs appliquons cela aux dents de mammifères et aux dents de dinosaures."

Une plongée profonde dans la littérature pendant le confinement

Au début de la pandémie, alors que ses amis préparaient des entrées au levain et se gavent de Netflix, Kast a parcouru la littérature écologique pour rechercher des mesures des isotopes de l'azote des animaux marins modernes.

"L'une des choses intéressantes qu'Emma a faites a été de creuser dans la littérature - toutes les données qui ont été publiées au fil des décennies - et de les relier aux archives fossiles", a déclaré Michael (Mick) Griffiths, paléoclimatologue et géochimiste à l'université William Patterson et un co-auteur sur le papier.

Alors que Kast était en quarantaine chez elle, elle a minutieusement constitué un record avec plus de 20 000 mammifères marins et plus de 5 000 requins. Elle veut aller beaucoup plus loin. "Notre outil a le potentiel de décoder les anciens réseaux trophiques ; ce dont nous avons besoin maintenant, ce sont des échantillons", a déclaré Kast. "J'aimerais trouver un musée ou d'autres archives avec un instantané d'un écosystème - une collection de différents types de fossiles d'une époque et d'un lieu, des forams près de la base même du réseau trophique, aux otolithes - os de l'oreille interne - de différents types de poissons, aux dents de mammifères marins, en passant par les dents de requin. Nous pourrions faire la même analyse isotopique de l'azote et reconstituer toute l'histoire d'un écosystème ancien."

En plus de la recherche documentaire, leur base de données comprend leurs propres échantillons de dents de requin. Le co-auteur Kenshu Shimada de l'Université DePaul s'est connecté avec les aquariums et les musées, tandis que les co-auteurs Martin Becker de l'Université William Patterson et Harry Maisch de l'Université Florida Gulf Coast ont recueilli des spécimens de mégadents sur le fond marin.

"C'est vraiment dangereux; Harry est un maître de plongée, et vous devez vraiment être un expert pour les obtenir", a déclaré Griffiths. "Vous pouvez trouver de petites dents de requin sur la plage, mais pour obtenir les échantillons les mieux conservés, vous devez descendre au fond de l'océan. Marty et Harry ont collecté des dents de partout."

Il a ajouté:"Cela a été un effort de collaboration pour obtenir les échantillons nécessaires. En général, la collaboration avec Princeton et d'autres universités régionales est vraiment excitante car les étudiants sont incroyables et mes collègues là-bas ont été vraiment formidables avec qui travailler."

Alliya Akhtar, titulaire d'un doctorat. diplômé de Princeton, est maintenant chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Griffiths.

"Le travail que j'ai fait pour ma thèse (en examinant la composition isotopique de l'eau de mer) a posé autant de questions qu'il n'en a répondu, et j'ai été incroyablement reconnaissant d'avoir l'opportunité de continuer à travailler sur certaines d'entre elles avec un collaborateur/mentor que je respecte", Akhtar écrit dans un e-mail. "Je suis très excité par tout le travail qui reste à faire, tous les mystères qui restent à résoudre !"