Selon les données palynologiques et paléontologiques disponibles, à la fin de la dernière glaciation, celle du Würm, les Balkans ont joué le rôle de « refuge glaciaire » pour la biodiversité végétale dont diverses espèces d’arbres ainsi que pour les espèces animales. Il y avait aussi d’autres refuges en Europe : les péninsules Ibérique et Italienne, le sud de la France et probablement les Carpates méridionales. Mais les Balkans ont été le refuge le plus important. De nombreuses espèces ont survécu aux glaciations dans les Balkans où le climat était moins rigoureux qu’en Europe centrale, ce qui explique la présence aujourd’hui de nombreuses espèces reliques qui ont subsisté dans la péninsule mais qui n’ont pas encore pu reconquérir le reste de l’Europe, à cause des barrières écologiques (montagnes, plaines et fleuves parallèles aux latitudes, bloquant les migrations nord-sud de nombreuses espèces) ou de la lenteur de leur capacité de recolonisation (le début de l’Holocène étant récent). C’est ce qui explique en partie la biodiversité actuelle plus importante dans les Balkans que dans le reste de l’Europe, outre les différences actuelles de climats.
Pour ce qui est de la grande faune, on trouve aujourd’hui le cerf élaphe, le daim, le chevreuil, le sanglier. Mais l’auroch, le bison d’Europe, le tarpan, l’onagre et le castor ont également été présents dans la péninsule au nord des Rhodopes, comme en témoignent fossiles et les toponymes. Parmi les prédateurs, le loup gris, l’ours brun et le lynx boréal sont toujours présents de nos jours mais confinés aux régions les plus sauvages. Le lion peuplait aussi autrefois la péninsule, selon les fossiles de l’Holocène et les récits datant de la Grèce antique.
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