Techniques de recherches paléontologiques

Enregistrement composite basé sur plus de 1300 mesures radioisotopiques effectées sur des échantillons prélevés dans des gisements fossiles de la vallée d'Awash en Ethiopie et du bassin d'Omo-Turkana au Kenya et en Ethiopie datés entre 7 millions d'années et aujourd'hui. Document Thure E.Cerling/University of Utah adapté par l'auteur.

Lorsque la datation des échantillons est effectuée, pour que l'étude d'un gisement archéologique ou fossilifère soit complète, que les échantillons soient remis dans leur contexte naturel, historique et, pour les artefacts les plus récents, socio-culturel, les chercheurs font généralement appel à plusieurs disciplines et spécialités des géosciences et des sciences du vivant afin de mieux décrire les propriétés du sujet mais également l'évolution de l'écosystème ainsi que l'impact éventuel de l'homme sur l'environnement étudié.

Nous allons décrire les principales sciences, disciplines et spécialistés qui sont associées de près ou de loin à la paléontologie. Cette liste n'est pas exhaustive.

Ethymologiquement, la paléontologie est l'étude des "êtres anciens" (d'origine grec, paléo- vient de palaios signifiant "ancien", onto- vient de ontos signifiant "étant", participe présent du verbe einai, être, et -logie vient de logos signifiant "la parole", "le discours").

La paléontologie étudie les fossiles, c'est-à-dire les vestiges d'organismes vivants fossilisés suite à un processus de minéralisation par lequel les tissus organiques ont été remplacés par des substances minérales dans de la roche sédimentaire, de l'ambre, du permafrost ou encore des hydrocarbures (bitume). En général, les parties molles (peau, viscères, tissus musculaires, cartillages, kératine, etc.) se décomposent sous l'action de l'air (oxygène) et des effets mécaniques de l'érosion et ne sont pas préservées.

Cette science étudie autant les fossiles des dinosaures que ceux des ancêtres de l'homme, des mammifères, des poissons ou des végétaux ainsi que leurs traces. En revanche, la paléoanthropologie s'intéresse uniquement aux fossiles des ancêtres des êtres humains ainsi qu'aux vestiges qu'ils ont laissés.

Etant donné que l'histoire de l'évolution des êtres vivants est indissociable de son évolution biologique (et culturelle dans le cas des êtres humains), la paléontologie comme la paléoanthropologie englobent également de nombreuses disciplines et spécialités des sciences du vivant et de la Terre sur lesquelles nous reviendrons.

Le paléontologue et le paléoanthropologue vont essayer de comprendre quand et comment les différents évènements sont apparus, pour citer quelques questions types : Combien d'espèces ont existé ? Sont-elles apparues simultanément ? Ont-elles cohabité dans la même région ? Qui est leur ancêtre ? Qui est leur descendant ? Comment ont-elles évoluées ? Dans quelles conditions ?

Concernant l'évolution de l'homme, il faut ajouter des questions plus spécifiques, parmi lesquelles : Comment nos différents ancêtres ont-ils acquis leurs facultés ? Qui sont leurs cousins ? Qui sont leurs descendants ? Quelle espèce inventa quel outil ou quel concept ? Comment ces évolutions ou ces découvertes ont-elles influencé leur vie ? Quels avantages leur procura ces inventions ou ces facultés ? Quand le sentiment d'humanité est-il apparu ? Quelles furent ses conséquences ? Quand, comment et par où les hommes ont colonisé les autres continents ? Dans quelles conditions environnementales chaque espèce ou population a-t-elle vécu ? Quelles furent les conséquences sur leur vie quotidienne ? Quel fut l'impact de l'homme sur l'environnement ?

Cette discipline s'intéresse exclusivement à l'évolution passée des êtres vivants, principalement à travers l'étude des fossiles (paléontologie) et de leur matériel génétique (paléogénétique).

La paléobiologie est une discipline de la biologie, la science du vivant. Pour rappel, la biologie englobe les sciences naturelles comme la zoologie et la botanique et s'intéresse également à l'évolution des espèces (paléontologie, anatomie comparée, génétique), la diversité des espèces (taxinomie) et à l'universalité de la vie à travers l'étude de ses principales caractéristiques (carbone, génome, cellule). Elle étudie également l'impact de la sélection artificielle et les interactions avec l'environnement (écologie, éthologie, etc). Enfin, elle étudie les processus physico-chimiques à l'échelle macroscopique et moléculaire en relation avec le métabolisme des organismes vivants ou ayant vécu.

La géologie est l'une des principales sciences de la Terre ou géosciences. Elle étudie la composition, la structure, l'histoire et l'évolution de la croûte terrestre et des processus qui la façonnent.

Par nature, la géologie est une science qui s'intéresse autant au passé qu'au présent ou à l'avenir de la Terre.

Cette science est associée à la minéralogie dont la stratigraphie et l'étude des météorites, la vulcanologie, la séismologie, la sédimentologie, l'hydrogéologie, la géophysique (étude des ressources naturelles), la géomorphologie et indirectement aux sciences de la vie (biologie, écologie, etc) parmi beaucoup d'autres.

La géochronologie est également une branche de la géologie qui se concentre sur les méthodes de datation des diverses formations de la croûte terrestre.

Comme expliqué précédemment, parmi les méthodes de datation, la radiochronologie est la plus répandue.

Suivant un courant initié aux Etats-Unis, l'archéologie est l'une des quatre branches de l'anthropologie qui se consacre à l'étude des sociétés humaines. Les autres branches sont l'ethnologie (étude de la culture des peuples), la linguistique (étude de la langue) et l'anthropologie physique (étude de l'évolution et des caractéristiques physiques et génétiques de l'espèce humaine).

L'archéologie étudie les vestiges matériels et le patrimoine de l'humanité depuis la Préhistoire et l'apparition de l'homme (genre Homo) il y a environ 3 millions d'années dans le but de retracer la culture matérielle des peuples et des civilisations.

D'un point de vue géologique, cela concerne la période du Quaternaire qui débute au Pléistocène, il y a 2.58 millions d'années, jusqu'à l'Holocène qui couvre les 10000 dernières années.

L'étude des galets aménagés et autres pierres taillées utilisés par les Homo habilis, les peintures rupestres des Cro-Magnon, l'étude des anciennes écritures ou des premiers livres imprimés entre donc dans ses compétences.

Ses champs d'études sont donc très diversifiés et très vastes. On peut néamoins les résumer par un même objectif : analyser tous les vestiges que les hommes ont créé et laissé derrière eux depuis la Préhistoire : ce qu'ils ont peint, tracé, fabriqué, construit, tissé, écrit, etc. Cela comprend des objets aussi divers que les traces, les empreintes, les peintures, les poteries, les vêtements, les bijoux, les armes, les abris, les moyens de locomotion, les bâtiments, les infrastructures, les textes, la monnaie, etc.


Les techniques modernes de l'archéologie non destructrice et non invasive appliquées au site archéologique Celte de la colline de Tara en Irlande datant de l'âge du Fer (2500-2100 avant notre ère). A gauche, une photo conventionnelle en lumière rasante. Au centre, une image Lidar qui a l'avantage de faire abstraction de la végétation. A droite, un scan laser à plus grande échelle. Documents Irish Rose et The Discovery Programme.

Les outils de prospection sont très nombreux et de plus en plus perfectionnés au point qu'il est aujourd'hui possible d'étudier un site archéologique du néolithique virtuellement, uniquement grâce aux données recueillies par les techniques numériques : photographie aérienne (APN embarqué à bord d'une drone ou d'un avion), photogrammétrie (afin de reconstituer le site virtuellement en 3), lidar embarqué, scan laser, magnétomètre, radar, mesure de la résitivité du sol, autant de moyens d'études non destructifs qui bien sûr ne dispensent par les chercheurs de procéder à des analyses, des excavations et des carottages sur le site mais ils le font aujourd'hui de manière beaucoup plus précise que jadis et en sachant presque ce qu'ils vont trouver à quel endroit.

Il s'agit de l'étude des échantillons biologiques recueillis sur les sites archéologiques. Cette science est associée à l'archéobotanique qui étudie les résidus végétaux (algues et plantes terrestres), l'archéozoologie qui étudie les résidus d'animaux (principalement leur squelette, y compris les coquillages dans le cadre de la malacologie) et la paléoécologie qui étudie les environnements du passé.

Le but de l'archéobiologie est d'obtenir des renseignements sur les environnements dans lesquels vécurent les personnes depuis la Préhistoire.

Cette science étudie également l'impact des activités humaines (anthropiques) dans l'environnement et plus précisément dans la biocénose (les biotopes regroupant les espèces végétales et animales).

Il s'agit donc d'une science pluridisciplinaire très vaste qui s'intéresse autant aux propriétés des échantillons, qu'à l'époque où ils vécurent ou furent utilisés, qu'aux techniques utilisées et aux implications culturelles de leur présence ou de leur utilisation.

Citons quelques exemples d'applications : l'identification des objets et des moyens de subsistence, la fonction et les impacts des techniques de chasse, les méthodes et l'impact de l'élevage et de la culture, les pratiques commerciales locales et régionales, les différences sociales, les évolutions biologiques, les rites funéraires, etc.

Grâce à ces analyses, les chercheurs peuvent dresser un profil complet d'un site fréquenté par l'homme et de toutes les facettes de son impact anthropique.

Cette science étudie les sédiments archéologiques depuis la Préhistoire (Quaternaire). Afin de décrire aussi complètement que possible un site, dater les objets manufacturés par l'homme et connaître leur impact anthropique, la géoarchéologie exploite plusieurs spécialités scientifiques : la stratigraphie, la géomorphologie (l'origine et des formes du paysage), la sédimentologie (l'identification et l'histoire des dépôts), la pédologie (la sience du sol, voir plus bas) parmi d'autres.

Les chercheurs en géoarchéologie suivent deux démarches afin de mieux cerner leur sujet dans leurs aspects dynamiques et évolutifs :

- l'analyse des sédiments archéologiques intra-site et de l'impact anthropique sur ceux-ci

- l'analyse du paysage (paléoenvironnement) dans le but de déterminer l'évolution au cours du temps (diachronique) ainsi que l'évolution paléoclimatique.

La technique la plus répandue fait appel à la stratigraphie qui étudie les séquences et la corrélation des strates ou couches sédimentaires et des paléosols. Elle permet à la fois d'étudier l'évolution d'un site et de dater ses différentes couches.

La statigraphie permet de classifier et de hiérarchiser les couches d'un gisement. Jusqu'aux années 1950, la stratigraphie était l'une des seules méthodes pour dater un site et mettre éventuellement en corrélation différents artefacts et autres fossiles.

Historiquement, la stratigraphie repose sur deux principes : les couches horizontales les plus récentes sont situées au-dessus des couches plus anciennes, c'est le principe de superposition. Ensuite, une couche horizontale identifiée a le même âge sur toute son étendue, c'est le principe de continuité. On en déduit que si une couche est traversée de part en part par une autre couche, cette dernière est forcément la plus ancienne, c'est le principe de recoupement.

A gauche, extrait d'une stratigraphie consolidée des trois gisements de l'Homo rudolfensis (1.78-1.95 million d'années) découverts entre 1972 et 2009 à l'est du Kenya. A droite, stratigraphie sismique du bassin ionien occidental entre l'escarpement de Malte et une centaine de km vers le sud-est révélant les différentes couches sédimentaires accumulées sur plus de 2.5 km d'épaisseur. Documents M.Leakey et al. et Aaron Micallef et al. (2018) adapté par l'auteur.

Certains évènements (géologiques, climatiques, mécaniques, etc) peuvent permettre de préciser une datation, comme par exemple une couche d'éboulement, une inondation, une couche de cendre, une coulée de lave, etc.

D'autres domaines y sont associés tels que la climatologie et la microbiologie ainsi que leurs spécialités paléontologiques respectives.

Les résultats de ces études contribuent à une meilleure connaissance des réseaux de peuplements et indirectement des flux migratoires anciens et à une meilleure gestion du patrimoine enfoui dans le sous-sol.

La protistologie est une branche de la microbiologie qui étudie tous les organismes unicellulaires et pluricellulaires de l'arbre du vivant. Elle complète la paléontologie avec des informations sur l'évolution des écosystèmes. Elle est associée à l'archéobiologie, la paléozoologie, la paléobotanique et des branches spécialisées comme la palynologie (l'étude des grains de pollens) ou la sclérochronologie (l'étude des anneaux de croissance des organismes calcifiés comme le corail).

Ainsi, l'analyse des coraux nous renseigne sur les variations de température et le niveau des mers tropicales depuis 100000 ans. Quant aux pollens des tourbières par exemple, ils témoignent de la couverture végétale des 300000 dernières années.

Ethymologiquement, la physiologie est le discours sur la nature, devenue par la suite l'étude de la nature qu'on appela également la philosophie naturelle.

Dans sa définition moderne, la physiologie étudie le fonctionnement des organismes vivants. Cela comprend leurs interactions à différents niveaux hiérarchiques allant de la cellule aux organes et à l'organisme entier et tous les systèmes physiologiques qui s'y rattachent : cardiovasculaire, respiratoire, digestif, immunitaire, lymphatique, musculo-squelettique, nerveux, reproducteur, etc.

Vu l'étendue de son sujet, la physiologie fait appel à une approche interdisciplinaire et a également intégré les outils fournis par d'autres disciplines à ses propos moyens d'investigations : biologie moléculaire, biochimie, pharmacologie, électrophysiologie, acoustique, imagerie, modélisation informatique, statistiques, paléogénétique, etc.

Pour prendre un exemple concret de son intégration interdisciplinaire, en 2010 une équipe internationale de chercheurs annonça dans la revue "Nature Genetics" qu'elle était parvenue à synthétiser de l'hémoglobine de mammouth à partir d'ADN fossile extrait d'un os particulièrement bien conservé. Transformé en ARN afin de permettre la synthèse des protéines de l'hémoglobine, il fut ensuite injecté dans une bactérie E.coli qui a tout naturellement synthétiser cette protéine. Le premier sang de mamouth avait été cloné !

Grâce à cette expérience dont le projet s'est étalé sur plus de 7 ans, les physiologistes ont appris à leurs collègues paléobiologistes er paléogénéticiens que le sang des mamouths laineux de Sibérie ou d'Amérique du Nord n'avait pas besoin d'être conservé au chaud pour assurer pleinement ses fonctions : transporter le dioxygène, les molécules du système immunitaire et les hormones à travers l'organisme et récupérer les déchets tels que le dioxyde de carbone et les déchets azotées. Alors que chez un mamifère, le sang est maintenu à une température variant entre 37°C et 39°C selon les espèces, chez le mamouth, la température du sang pouvait descendre jusqu'à quelques degrés seulement au-dessus de zéro pour s'adapter aux conditions hivernales extrêmes tout en maintenant parfaitement ses fonctions métaboliques.

La phylogénétique étude les relations de parentés génétiques entre les êtres vivants dans le but de reconstituer l'évolution des organismes vivants. Elle étudie les relations à trois niveaux : entre individus, entre populations (d'une même espèce) et entre les espèces (niveau interspécifique).

En phylogénétique interspécifique, on distingue deux types d'arbres phylogéniques ou dendrogrammes :

- le phénogramme basé sur les différences génétiques entre taxons (des groupes partageant des caractères communs), c'est le plus courant,

- le cladogramme, où on se base sur les évènements évolutifs (ceux dérivés de caractères homologues) de chaque lignée.


A gauche, l'un des premiers cladogrammes tracé par Charles Darwin en 1837 dans le petit carnet de voyage qu'il conservait toujours sur lui. A droite, un cladogramme circulaire préparé par ITOL/EMBL.

Précisons qu'établir un arbre généalogique et un arbre phylogénique sont deux techniques de classification différentes. La généalogie étudie les liens de parenté et de filiation entre individus. Elle se fonde notamment sur l'étude des registres officiels et des analyses génétique de l'ADN. Les scientifiques peuvent classer des individus dans un arbre généalogique à condition qu'ils aient identifié tous les individus ou les espèces ancestrales et tous leurs descendants. Tant que tous les individus ou espèces existantes et ayant existé d'une lignée ne sont pas été identifiés, cela ne prouve pas que l'on connaît sa généalogie, un nouvel individu ancestral et notamment un spécimen hybride pouvant remettre toute la classification en question.

La phylogénétique ne prétend pas pouvoir atteindre cet objectif. En revanche, la phylogénie permet de relier des ancêtres avec leurs descendants et d'établir des rapports phylogénétiques entre espèces, d'où son intérêt en paléontologie pour déterminer la place respective des espèces et sous-espèces dans l'arbre de la vie.

Cette discipline est également la plus jeune de la biologie. Elle étudie les séquences du génome des organismes ancestraux extraits des fossiles. Depuis les années 1980, elle est épaulée par les nouveaux outils de la biologie moléculaire tels que le séquençage et le clonage de l'ADN. Ces techniques permettent de préciser la filiation entre des espèces éloignées de plusieurs dizaines de milliers d'années et même séparées de plusieurs millions d'années dans le cas de l'analyse de l'ADN mitochondrial.

Analyse du résultat du séquençage de l'ADN. Document Andrew Brookes/Getty Images.

L'analyse de l'ADN qu'avec un peu de chance on retrouve dans les fossiles (généralement dans les os) passe par le séquençage de l'ADN au moyen d'une technique appelée la réaction en chaîne par polymérase (RT PCR). La méthode initiale ne pouvait amplifier que très courtes séquences d'ADN. Le problème est qu'elle permet aussi de facilement copier des séquences qui n'appartiennent pas à l'échantillon mais proviennent d'une contamination externe (une manipulation des fragments). Une nouvelle méthode a donc été développée permettant d'amplifier tout l'ADN de l'échantillon. On peut donc aisément identifier les séquences humaines, virales et bactériennes et avoir une meilleure idée des parties endogènes et exogènes d'ADN. Cela évite notamment de conclure prématurément qu'un spécimen n'appartient pas à une lignée particulière.

En filigrane, si la paléogénétique dispose des outils nécessaires pour extraire l'ADN des fossiles, elle peut donc aussi cloner des espèces disparues avec l'aide de protéines d'animaux contemporains comme l'ont imaginé les scénaristes de "Jurassic Park". Mais ne rêvons pas. Dans la majorité des cas, les biotopes de ces espèces se sont modifiés au cours du temps ou ont totalement disparu pour ne citer que les grandes steppes que foulaient les mamouths du temps des hommes de Néandertal.

Si redonner vie à une espèce disparue peut sensibiliser le public sur les menaces d'extinctions qui planent sur les espèces actuelles, condamner une espèce éteinte clonée à vivre dans un enclos ou dans un zoo n'a aucun sens. Quoiqu'en pensent certains docteurs Folamour, la science à des limites et doit respecter une certaine éthique.

La paléopathologie est une discipline créée en 1913 par le médecin bactériologiste franco-britannique, Sir Marc Armand Ruffer. C'est la science des maladies des périodes anciennes. Elle allie les sciences biomédicales et les méthodes d'exploration paléontologique.

Les paléopathologistes étudient les fossiles animaux et humains, les momies, les squelettiques excavés des sites archéologiques ou de cimetières contemporains ainsi que les préparations anatomiques ou pathologiques.

C'est grâce à l'analyse des os que ces experts ont découvert que certains hommes préhistoriques présentaient des maladies comme des métastases, la tuberculose ou la syphilis sans oublier des cals osseux formés après réduction des fractures.

La géomatique regroupe l'ensemble des outils et méthodes permettant de collecter, traiter, analyser, intégrer, représenter et diffuser des données géographiques. Ce travail est aujourd'hui facilité par l'utilisation de systèmes d'informations géographiques ou SIG (ordinateur, GPS, images satellites, caméra infrarouge, etc) et trouve des applications en archéologie, géologie, environnement, urbanisme, océanologie, défense, santé, transport, télécommunications, géomarketing, etc.

Dans le cadre de l'archéologie, le géomaticien armé de connaissances en traitement d'image et en statistique peut par exemple analyser une peinture ou une gravure pariétale sur laquelle sont a priori superposés plusieurs dessins et les séparer les uns des autres afin d'identifier chacun des sujets dessinés ou gravés.

Parmi les branches de la paléobiologie, la paléobotanique étudie du monde végétal des époques ancestrales. Elle comprend essentiellement deux disciplines : la palynologie qui étudie les grains de pollens et la paléoécologie qui étudie les anciens écosystèmes. Ces disciplines sont évidemment associées à la paléoclimatologie.

Qu'il s'agisse d’écosystèmes terrestres ou aquatiques, la paléobotanique permet d'identifier les fossiles végétaux grâce à des analyses sédimentaires qui permettent d'établir des biostratigraphies d'où on peut obtenir des informations sur l'évolution de la composition et la diversité des espèces végétales dans le temps.

La biostratigraphie repose sur trois critères indipensables à une bonne analyse : une fossilisation, une diversité morphologique afin qu'une identification soit possible et des archives non altérées, aussi brutes que possible pour préserver les échantillons de toute oxydation et autre corrosion.

La pédologie est une discipline des géosciences qui étude les sols, leurs caractères physiques, chimiques et biologiques ainsi que leur évolution, leur genèse et leur altération.

La pédologie comprend donc deux aspects distincts. D'une part la pédogenèse qui étudie la dynamique des sols en fonction du milieu et d'autre part l'étude des propriétés physico-chimiques et biologiques des sols.

Cette discipline est souvent épaulée par la géologie, la minéralogie, la sédimentologie, la géomorphologie, la micromorphologie, la microbiologie ou encore la (paléo)climatologie.

Cette science étudie l'eau souterraine qui circule dans le sous-sol, ce qu'on appelle les aquifères. Il s'agit généralement de réseaux sédimentaires remontant à l'époque Quaternaire présents sous la forme de graviers (au fond des vallées), de roches fracturées ou de roches calcaires dont la plupart ont subi une érosion glaciaire.

L'analyse de la distribution géographique des aquifères permet d'établir des cartes hydrogéologiques. Combinées à des analyses géoarchéologiques, paléontologiques et paléoclimatiques, les chercheurs peuvent réunir suffisamment d'informations pour décrire l'histoire d'un site archéologique et notamment comprendre l'influence des ressources naturelles et des sources d'eau portable en particulier sur l'établissement des hommes et éventuellement de leur cité dans un site particulier.

L'océanographie est une science qui a pour objet l'étude des mers et des océans. Elle étudie leurs interactions avec l'atmosphère, le fond marin et le socle des continents ainsi que leur composition et les organismes qui y vivent. C'est probablement l'une des sciences de la Terre (l'hydrosphère) les plus étendues.

L'océanographie alliée à la topographie, la vulcanologie, la géologie et la paléontologie permet d'étudier les fonds océaniques et les roches sédimentaires avec leurs lots de fossiles pour remonter l'histoire de la terre et des êtres qui l'ont peuplée sur plusieurs centaines de millions d'années tant qu'une datation radioisotopique est possible.

La climatologie étudie la répartition des climats sur base d'une analyse systématique. Elle se différencie de la météorologie qui est l'étude de l'atmosphère et des phénomènes physico-chimiques essentiellement observés dans sa partie la plus basse (la troposphère) qui permettent de prévoir l'évolution du temps.

Les variations climatiques mises en rapport avec les différentes espèces d'hominidés. Document du Smithsonian Institution adapté par l'auteur.

La climatologie étudie l'ensemble des variables météorologiques et leur évolution géotemporelle d'un point de vue statistique afin d'établir des tendances et donc des prévisions climatiques.

Si cela ressemble à la météorologie, les modélisations informatiques (simulations) des phénomènes météorologiques se différencient des simulations de l'évolution du climat par l'introduction de conditions initiales (le fameux "effet papillon") et de conditions aux limites (les facteurs d'influence extérieurs) fixées dans un état initial particulier dans lequel les variables deviennent... invariantes.

La simulation d'une situation météorologique rejoint le modèle climatique lorsque l'effet papillon et les conditions aux limites prennent tellement d'importance qu'ils déterminent l'état statistique moyen de l'atmosphère, son climat.

Cette méthode de travail peut aussi s'appliquer à des époques et des écosystèmes (biotope et biocénose) remontant très loin dans le passé pour lesquels nous ne disposons pas de données météorologiques directes.

En revanche, grâces au travail d'investigation des chercheurs, nous pouvons disposer de données relatives au biotope (la nature de l'environnement physico-chimique et abiotique) et à la biocénose (l'ensemble des êtres vivants habitant le biotope) afin de caractériser le site étudié d'un point de vue paléoclimatologique.

La taphonomie ou étude des lois de l'enfouissement dérive de la paléontologie et de l'archéothanatologie (qui étudie les aspects biologiques, sociologiques et culturel postmortem) et étudie la formation des gisements fossiles et les processus intervenant depuis la mort (la décomposition) jusqu'à la fossilisation d'un organisme. Elle fait appel à l'écologie, la géochimie, la sédimentologie et la taxonomie.

En biologie marine, la sclérochronologie ou étude des pièces calcifiées des organismes vivants (coraux, coquillages, etc) permet par analyse carbone-14 ou des cernes de croissance de nous informer sur les variations de température et le niveau des mers tropicales depuis 100000 ans.

La glaciologie et en particulier l'analyse des glaces polaires par carottage nous renseigne sur la température et la composition de l'atmosphère des 150000 dernières années. Elles peuvent également renfermer des pollens et de microscopiques fragments organiques caractéristiques de la région.

La palynologie ou l'étude des grains de pollens des tourbières nous renseigne sur la couverture végétale des 300000 dernières années.

Enfin, dans les grottes (sèches ou inondées), la minéralogie et notamment l'étude des spéléothèmes (les coupes longitudinales polies des grands stalactites et stalagmites qui affichent des lamines semi-circulaires de croissance) permet d'étudier l'état climatique de la grotte et de sa région parfois sur une période s'étalant sur plusieurs dizaines de millions d’années.