Il y a 56 millions d'années, les forêts de la Terre ont franchi un point de bascule. Au cours de l'un des épisodes de réchauffement climatique les plus intenses qu'ait connus la planète, les canopées denses et luxuriantes qui s'étaient épanouies ont commencé à s'éclaircir. Alors que les températures mondiales augmentaient de jusqu'à 11 degrés Fahrenheit (6 degrés Celsius), la chaleur et la sécheresse ont mis les forêts à rude épreuve et tué un grand nombre d'arbres. Les trouées ainsi formées ont laissé davantage de lumière atteindre le sol et modifié la circulation de l'eau à travers le paysage.

Dans le sud du Wyoming, des fougères ont brièvement occupé des terrains où avaient prospéré des parents de l'orme, du noyer, du métaséquoia et de l'avocatier. Des palmiers et d'autres plantes aimant la chaleur se sont ensuite propagés vers le nord.

Dans une nouvelle étude publiée dans la revue Science, des chercheurs montrent que ces forêts du Wyoming ont perdu 60 % de leur canopée durant cette période — connue sous le nom de maximum thermique du Paléocène-Éocène, ou PETM — et qu'il leur a fallu bien plus de 100 000 ans pour se rétablir. Le PETM a été marqué par un rejet massif de carbone dans le système océan-atmosphère, et son réchauffement et son rétablissement réunis ont couvert environ 200 000 ans. Il s'agit de l'analogue naturel le plus proche du réchauffement que le monde connaît aujourd'hui, même si les êtres humains libèrent aujourd'hui du dioxyde de carbone environ 10 fois plus vite que ne le faisaient alors les processus naturels de la planète. Comprendre ce qui est arrivé à ces forêts pourrait aider l'humanité à reconnaître des seuils similaires avant que la planète ne les franchisse à nouveau.

Lire la forêt dans les feuilles fossiles

Les paléobotanistes utilisent habituellement les fossiles végétaux pour identifier les espèces qui vivaient autrefois en un lieu donné. Les auteurs de l'étude se sont attachés à répondre à une question plus difficile : à quoi ressemblait la forêt elle-même, et comment a-t-elle évolué ? La structure d'une forêt — et avant tout sa canopée — contrôle la quantité de lumière qui parvient au sol forestier, ainsi que la température, l'habitat aquatique et la quantité de carbone que la forêt peut stocker, ce qui en fait l'un des indicateurs les plus clairs du fonctionnement des écosystèmes.

Mais comment mesurer la densité d'une forêt disparue il y a 56 millions d'années ? Les écologistes mesurent la densité de la canopée à l'aide de ce que l'on appelle l'indice de surface foliaire. Les forêts denses, aux multiples couches de feuilles interceptant la lumière du soleil, obtiennent un score élevé, tandis que les forêts ouvertes, qui laissent plus de lumière atteindre le sol forestier, obtiennent un score plus faible. Parce que la canopée influe sur l'ombre, la température, la perte d'eau et la photosynthèse, cet indice constitue une mesure puissante du fonctionnement des forêts. Les satellites le mesurent aujourd'hui régulièrement pour suivre l'état des forêts à travers le monde, mais aucun enregistrement de ce type n'existe pour les forêts qui poussaient il y a des dizaines de millions d'années.

Les indices sur la densité de la canopée il y a des millions d'années proviennent de cuticules végétales microscopiques — la fine enveloppe cireuse extérieure des feuilles, capable de survivre des millions d'années dans des sédiments riches en matière organique. Les formes des cellules épidermiques restent visibles dans ces fragments de feuilles fossiles, et c'est important : la forme des cellules reflète la quantité de lumière solaire qu'une feuille a reçue pendant sa croissance. Les feuilles qui se développent à l'ombre produisent des cellules plus longues et plus allongées, à mesure qu'elles s'étirent vers la lumière ; celles qui sont exposées à davantage de soleil développent des cellules plus courtes et plus rondes.

Les chercheurs ont transformé cette relation en un outil permettant de reconstituer les forêts anciennes. Pour l'étalonner, ils ont prélevé des sols dans des forêts d'Amérique centrale et d'Amérique du Sud couvrant une large gamme de densités de canopée. Chaque poignée de terre contient des cuticules abandonnées par de nombreuses plantes différentes de la canopée, reflétant ainsi la structure de la forêt dans son ensemble — et le registre fossile conserve cette même litière de feuilles fragmentée.

La comparaison des formes de milliers de cellules épidermiques avec l'indice de surface foliaire mesuré a révélé une relation remarquablement forte : plus les cellules sont allongées, plus la canopée au-dessus d'elles est dense. Cette corrélation a permis à l'équipe de reconstituer la structure des forêts du Wyoming il y a des millions d'années et de retracer son évolution au fil du temps.

Lorsque les forêts atteignent leurs limites

L'une des découvertes les plus surprenantes est que les forêts n'ont pas entamé le maximum thermique du Paléocène-Éocène en déclin. Juste avant le début du réchauffement rapide, les canopées ont atteint leur plus grande densité depuis des centaines de milliers d'années, ce qui reflète probablement des conditions de croissance favorables à mesure que le dioxyde de carbone atmosphérique commençait à augmenter. L'une des principales théories concernant la source de ce dioxyde de carbone fait intervenir des éruptions volcaniques.

Cette prospérité n'a pas duré. À mesure que les températures montaient, la chaleur et la sécheresse ont eu raison des avantages liés à des niveaux de dioxyde de carbone plus élevés. La canopée s'est rapidement éclaircie à mesure que les arbres mouraient, et elle est restée bien plus clairsemée pendant plus de 100 000 ans.

Dans cet état amoindri, les forêts fonctionnaient très différemment, et l'environnement alentour en a ressenti les effets. Les sols anciens ont cédé la place à des dépôts fluviaux plus grossiers, ce qui suggère que la perte de canopée a modifié la manière dont l'eau et les sédiments circulaient dans le bassin. Le climat changeant a transformé la forêt, et la forêt a transformé le paysage.

Leçons pour aujourd'hui

Cette séquence porte en elle une leçon importante pour le présent. Des niveaux de dioxyde de carbone plus élevés, comme ceux que connaît actuellement le monde — les concentrations sont passées d'environ 280 parties par million avant l'ère industrielle à plus de 420 parties par million aujourd'hui — peuvent stimuler la croissance des plantes, mais seulement tant que les températures et l'eau restent dans les limites que les arbres peuvent tolérer. Au-delà de ces limites, la chaleur, la sécheresse, les insectes, les agents pathogènes et les incendies peuvent annuler tout effet de fertilisation susceptible de stimuler la croissance.

À travers le monde, de nombreuses forêts montrent déjà des signes de déclin à mesure que les températures augmentent — les chercheurs ont documenté, au cours des dernières décennies, des épisodes de mortalité des arbres dus à la chaleur et à la sécheresse sur chaque continent boisé — à quoi s'ajoute la déforestation destinée au bois d'œuvre, aux cultures et aux pâturages, qui réduit encore leur résilience.

Les forêts se sont rétablies, mais il a fallu plus de 100 000 ans

L'histoire des forêts anciennes d'il y a 56 millions d'années ne se termine pas par un effondrement. Avec le temps, la décomposition accrue des roches dans un climat plus chaud — un processus connu sous le nom d'altération — a progressivement retiré le carbone de l'air, en le stockant dans les sédiments marins. Cela a permis au climat de se refroidir et à l'eau de devenir plus disponible. Les canopées forestières se sont rétablies, devenant à terme encore plus denses qu'avant le début du réchauffement.

À mesure que les forêts s'étendaient, elles ont probablement retrouvé leur capacité à stabiliser les sols, à réguler le cycle de l'eau et à capter le carbone de l'atmosphère, contribuant ainsi à réduire l'effet de serre et à soutenir le rétablissement à long terme de la planète.

L'étude montre que les émissions de dioxyde de carbone ont déjà poussé les forêts au-delà de leurs limites physiologiques, déclenchant des changements qui se propagent de la végétation aux rivières et à des paysages entiers. Elle montre aussi que les forêts font preuve d'une résilience remarquable lorsqu'on leur laisse le temps de se rétablir — mais que le temps nécessaire dépasse de loin une vie humaine, s'étendant sur des milliers de générations.

Aujourd'hui, les émissions de carbone d'origine humaine et le réchauffement se déroulent bien plus vite que pendant le PETM. Le registre fossile nous rappelle que les forêts peuvent se rétablir, mais seulement si l'humanité évite de les pousser au-delà de seuils à partir desquels le rétablissement prend des dizaines de milliers d'années.

Regan E. Dunn est conservatrice associée au La Brea Tar Pits and Museum et professeure adjointe de sciences de la Terbe à l'USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences.

Cet article est republié depuis The Conversation sous licence Creative Commons et a été initialement publié sur Fortune.com.