Reportages
La plante Darwin
Il est partout: Dans la science du climat, dans notre ADN, dans les fossiles de poissons et même dans les fourmilières. Rencontre avec quatre héritiers du grand Charles!
Par Joël Leblanc
Québec 2109: Sélection climatique
Dominique Berteaux, Université du Québec à Rimouski
C’était déjà dans L’origine des espèces: l’histoire de la vie se résume à une série d’apparitions et d’extinctions. En ces temps de changements climatiques, cela n’a jamais été aussi vrai.
Des ouaouarons dans la Manicouagan, des tortues des bois en Basse-Côte-Nord, des colibris à gorge rubis à la baie James… Le Québec de 2109 ne sera plus le même. «Dans 100 ans, les climats actuels se retrouveront 200 km ou 300 km plus au nord», explique Dominique Berteaux. Montréal à Matane, quoi!
Le biologiste de l’Université du Québec à Rimouski consacre sa carrière aux écosystèmes nordiques. Il a exploré les paysages enneigés de l’île Bylot, dans l’archipel arctique, du parc du Bic et du Groenland. «C’est dans les écosystèmes les plus froids que le réchauffement climatique bouleverse le plus la nature, dit-il, car les hausses de température y sont inhabituelles. Les régions tropicales connaissent déjà la chaleur!»
Logiquement, la limite septentrionale de répartition de chaque espèce est déterminée par des contraintes climatiques. Quand la température monte, les territoires de ces espèces s’étendent vers le nord. «Comme un tapis roulant, de l’équateur vers les pôles, les zones climatiques progressent», explique le biologiste.
Mais quelle est la capacité des écosystèmes à se déplacer ainsi? Certains animaux, comme les oiseaux, ont une mobilité suffisante pour suivre la cadence. En moyenne, les oiseaux migrateurs arrivent d’ailleurs dans leurs aires d’été deux jours plus tôt à chaque décennie, histoire de profiter des pics d’abondance de nourriture qui sont eux-mêmes plus précoces. «Mais pour les invertébrés et les organismes fixes, comme les arbres, les lichens ou les micro-organismes, un écosystème qui avance trop vite, c’est la mort annoncée», poursuit Dominique Berteaux.
D’autres cas sont plus singuliers. Certaines espèces adaptées au froid vivent en altitude. Or, les bandes climatiques ne progressent pas que vers le nord, mais aussi vers les hauteurs. Les montagnes se réchauffent et les îlots plus froids situés à leurs sommets s’amenuisent graduellement, réduisant d’autant l’aire de survie des espèces qui y sont confinées. Le caribou acculé aux sommets du Parc de la Gaspésie n’aura nulle part où aller lorsqu’il fera trop chaud.
Il y a cinq ans, Dominique Berteaux avait démontré un changement génétique – donc une évolution – causé par le réchauffement climatique dans une population d’écureuils roux du Yukon (Québec Science, mai 2003). Son étude avait révélé que leur saison de reproduction arrivait 18 jours plus tôt qu’il y a 10 ans. Et c’était déjà enregistré dans leurs gènes. La sélection naturelle à grande vitesse! «C’est un bel exemple d’adaptation évolutive, confirme-t-il. Avec leur taux de reproduction rapide, les écureuils roux réagissent facilement aux changements. Mais pour les gros mammifères, comme les ours polaires ou les rorquals, qui n’ont qu’un ou deux petits tous les deux ans, la réponse est lente, d’où un risque élevé d’extinction.»
Dominique Berteaux est responsable du projet «CC-Bio: Effets des changements climatiques sur la biodiversité du Québec». Financé par le Conseil de recherche en sciences naturelles et en génie du Canada, le projet a pour objectif de prédire l’effet à long terme des actions humaines actuelles. «Les programmes que l’on applique dans un milieu humide seront-ils utiles si ce milieu n’est plus humide dans 60 ans? demande le chercheur. Pour répondre à ce genre de question, on utilise des mathématiques sophistiquées et on élabore les scénarios les plus probables.»
En Europe, par exemple, on reboise déjà certaines régions, non pas avec les espèces d’arbres présentes, mais avec celles qui le seront dans 50 ans, en se fiant aux prédictions climatiques. Cela dit, il n’est pas garanti que les espèces du sud suivront. «Depuis la fin de la glaciation, il y a 10 000 ans, les écosystèmes ne sont pas montés tels quels. Ce sont des espèces variées qui se sont déplacées une par une sur ces territoires vierges», rappelle Dominique Berteaux. Et à chaque rencontre sont nés de nouveaux écosystèmes.
Équilibre darwinien
Même si le terme «écosystème» n’est apparu que 100 ans après la publication des travaux de Darwin, le naturaliste avait bien compris l’équilibre dynamique qui régnait entre les êtres vivants d’un même milieu. Le sous-titre de son livre fondateur (La préservation des races favorisées dans la lutte pour la vie) fait explicitement mention de la propension, pour chaque espèce vivante, à accaparer le maximum de ressources. Comme chaque espèce subit l’influence des autres et fait subir la sienne, le système s’organise en une sorte d’équilibre dynamique. Et puisque ce système interagit aussi avec son milieu, son équilibre interne ne cesse de réagir à la nouveauté, à l’imprévu. Parmi ces imprévus, un de taille: les changements climatiques.
Héréditaire, mon cher Darwin!
Andràs Pàldi, École Pratique des Hautes Études à Paris
Les gènes ne sont pas les seuls à être transmis aux descendants. L’évolution peut se faire de bien d’autres manières.
Darwin doit se retourner dans sa tombe! S’il avait compris que les espèces évoluaient par sélection naturelle, il ignorait par contre l’existence des gènes. Quant à l’épigénétique, le concept lui aurait sans doute semblé particulièrement audacieux.
Épi-quoi? «L’épigénétique, ce sont tous les phénomènes héréditaires que la génétique n’explique pas. Les gènes sont nécessaires à l’hérédité, mais ils ne sont pas seuls. Il y a d’autres mécanismes en cause», affirme Andràs Pàldi, de l’École Pratique des Hautes Études à Paris. Ce sont ces mécanismes qu’il étudie.
Depuis la découverte de la fameuse double hélice par Crick et Watson, en 1953, les biochimistes ont érigé l’ADN en maître de l’hérédité. C’est le support matériel des gènes qui se dédouble et se transmet à chaque cellule fille lors de la division cellulaire. «Le problème, explique le chercheur, c’est qu’on a comparé ces gènes à des programmes, des instructions complètes pour construire un organisme en développement. Je crois plutôt que l’ADN et les gènes sont seulement une base de données. Le programme est ailleurs, dans le chaos de la cellule. L’ADN est nécessaire, mais il n’est pas tout.»
À preuve, nos cellules possèdent les mêmes copies de chacun de nos gènes. Elles sont pourtant très différentes d’un organe à l’autre parce que les cellules n’expriment pas tous les gènes qu’elles contiennent. Il y aurait donc un programme supérieur qui «décide» quels gènes s’expriment à quel moment et dans quelles cellules.
«Attrapez des drosophiles, les fameuses mouches à fruits, dit Andràs Pàldi. Augmentez la température durant leur développement, et elles afficheront une multitude de malformations. Mais celles-ci n’affectent pas leur génome, comme le révèlent les études. Curieusement, ces malformations apparaissent quand même à la génération suivante, contrairement à ce que l’on croyait quant aux caractères acquis. Même en l’absence de stress thermique, elles continueront d’apparaître dans leur descendance.»
Des traits de développement seraient-ils donc transmis autrement que par les gènes? «On sait que les parents ne transmettent pas que leurs gènes à leurs rejetons, précise le chercheur. L’œuf fécondé contien un bagage génétique provenant à moitié de la mère et à moitié du père, mais l’ovule contient aussi cytoplasme, mitochondries, ribosomes, vacuoles et membranes; tous d’origine maternelle. Quelles sont les informations transmises par ces composantes? Et quelles autres sont le résultat des influences extérieures que les cellules de la mère ont subies au cours de sa vie?»
Selon Andràs Pàldi, la biologie cellulaire est mûre pour une révolution. Il reste d’ailleurs bien des énigmes à résoudre par la génétique et de nombreux débats ont cours dans la communauté scientifique autour de toutes ces questions. «On n’est plus très loin, dit-il, d’une épigénétique où les gènes (qui codent la structure primaire des protéines) auront certes une grande importance, mais qui inclura aussi un mode de fonctionnement permettant d’expliquer la grande liberté de la matière vivante à s’organiser.»
D’ailleurs, l’idée de transmission des caractères acquis n’est pas si nouvelle; elle était déjà présente dans les théories du naturaliste français Jean-Baptiste Lamarck. Ce précurseur de Darwin affirmait en effet que des caractères acquis durant la vie pouvaient être transmis aux descendants.
Noir + blanc = gris
Du temps de Lamarck et de Darwin, même si les idées sur l’évolution proliféraient, on ignorait tout de la transmission des caractères des parents à leur descendance. Au plus soutenait-on un modèle de l’hérédité par mélange, où des parents noirs et blancs donnaient forcément naissance à des rejetons gris. Le moine Gregor Mendel, considéré comme le père de la génétique, publie en 1865, depuis son monastère d’Autriche, les résultats de ses études sur les petits pois où il propose des lois de l’hérédité validées et fiables. Mais elles seront très peu diffusées à l’époque.
C’est au début du XXe siècle qu’on les redécouvrira et qu’on les incorporera à la théorie de l’évolution dans une synthèse moderne. Là encore, même si on comprend comment se transmettent les gènes, ils demeurent un concept abstrait, une simple unité de base de l’hérédité. Il faudra attendre la naissance de la biologie moléculaire pour leur donner un substrat matériel: des sections de chromosomes. C’est alors le triomphe de l’ADN et l’essor de la toute-puissante génétique.
Une pêche miraculeuse
Catherine Boisvert, université d’Uppsala, Suède
Les poissons avaient des doigts. C’est un fossile passé au scanner qui le prouve.
Quatre petits bouts d’os dans une nageoire de poisson. Cela a suffi à Catherine Boisvert, de l’Université d’Uppsala, en Suède, pour refaire l’arbre de la vie. Évidemment, il ne s’agit pas de n’importe quels os, ni de n’importe quel poisson.
Disparu depuis 385 millions d’années, l’animal fossilisé appartient au groupe qui a donné naissance aux tétrapodes, c’est-à-dire à tous les animaux terrestres à quatre membres dont fait partie l’être humain. «Le poisson s’appelle Panderichthys. Il a été décrit au début des années 1940, indique la jeune chercheuse québécoise. À l’époque, à cause des plaques osseuses qui recouvraient une partie de ses nageoires, on ignorait les détails de son squelette interne.»
Et quels détails! Quatre petits os d’une longueur moyenne de 1 cm, placés en éventail à l’intérieur de la nageoire. On les appelle les radiaux distaux. Beaucoup de poissons en sont pourvus, mais on pensait que le Panderichthys n’en avait pas. «Grâce aux techniques d’imagerie médicale, je les ai découverts, cachés sous les plaques osseuses. Leur disposition démontre que notre ancêtre poisson avait déjà des précurseurs de doigts», explique la paléontologue.
C’est une surprise, car on croyait jusqu’alors que les doigts et les orteils n’existaient pas avant l’apparition des tétrapodes. En soumettant ce très vieux poisson à des tests de pointe comme Darwin n’aurait jamais pu en envisager, la chercheuse a renversé cette hypothèse. «En passant le fossile au scanner dans un hôpital d’Estonie, précise-t-elle, nous avons recréé virtuellement la nageoire à l’écran. J’ai ainsi pu la retourner et l’examiner dans tous les sens, sans même toucher au fossile! On y reconnaît clairement l’humérus, le cubitus, le radius et les radiaux distaux. Il ne manque que les os du poignet pour que la structure de la patte des futurs tétrapodes soit complète.»
Anatomiquement, le Panderichthys trouvé en Lettonie est très semblable au Tiktaalik, poisson fossile de la même époque dont la découverte dans l’Arctique canadien avait fait les manchettes il y a trois ans (voir Québec Science, juin 2006). Il a un crâne aplati rappelant vaguement celui de l’alligator, un long corps de plus de 1 m, dépourvu de nageoires dorsales, et quatre nageoires ventrales mobiles dont les articulations laissent deviner certaines aptitudes pour la reptation. Alors en quoi Panderichthys est-il différent? À cause de la position des fameux quatre petits os, répond Catherine Boisvert: «Le Tiktaalik en possédait aussi, mais ils étaient placés de part et d’autre d’un axe central, comme les épines de chaque côté d’une branche de sapin.»
Comment, cependant, être sûr que ces fameux radiaux distaux sont des structures semblables à nos doigts? «On sait déjà que le gène Hoxd13 est exprimé dans la patte des embryons de tétrapodes lorsque leurs doigts apparaissent, dit la chercheuse. Or, j’ai observé sur des embryons de dipneuste australien, un poisson à poumons qui fait partie des derniers représentants vivants du groupe du Panderichthys, l’expression du même gène Hoxd13 lors de l’apparition des radiaux distaux.» Le gène qui commande la formation de nos doigts est donc le même que celui qui régissait la naissance des radiaux distaux de nos ancêtres du Dévonien. Darwin n’en serait pas revenu!
Le tatou et le paresseux
Les fossiles ont joué un rôle important dans l’élaboration des théories du grand Charles. Les chapitres 10 et 11 de L’origine des espèces y sont consacrés. En s’aidant des livres du naturaliste Georges-Louis Leclerc de Buffon et du géologue Charles Lyell, il avait découvert les restes de gros mammifères qu’il avait identifiés correctement comme des paresseux et des tatous géants. C’était lors de son expédition en Amérique du Sud, de 1832 à 1835. À son retour en Angleterre, il soumet ses fossiles à l’anatomiste Richard Owen, celui qui a créé le mot dinosaure. Ce dernier confirme qu’il s’agit là d’espèces étroitement apparentées à celles vivant aujourd’hui en Amérique du Sud.
Darwin savait que ses analyses étaient parcellaires. Il supposait que les futures recherches paléontologiques combleraient les lacunes grâce à la découverte de nouveaux fossiles confirmant sa théorie. Les musées actuels sont en effet drôlement mieux garnis qu’en son temps, et il y a de moins en moins de chaînons manquants!
Ehad Abouheif, Université McGill, Montréal
Les leçons des fourmis
La sélection naturelle s’applique aussi à l’échelle des groupes. C’est ainsi qu’évoluent bien des sociétés d’insectes.
Dans une fourmilière, une seule reine se reproduit et toutes ses filles sont à son service pour entretenir le nid et nourrir les larves. En renonçant à transmettre leurs gènes à la génération suivante, autant dire qu’elles s’excluent de la course à la sélection naturelle. Un échec évolutif? Pas du tout. «D’un point de vue évolutif, la fourmi n’est pas un organisme. C’est la colonie qui est l’organisme, ou plutôt, le super-organisme», explique Ehad Abouheif. Ce biologiste de l’évolution, titulaire de la Chaire de recherche du Canada en développement et évolution à l’Université McGill, à Montréal, a fait des fourmis son principal sujet d’étude.
Tout comme un être vivant a des organes spécialisés, les colonies de fourmis – mais aussi d’abeilles, de guêpes, de termites et de rats-taupes nus – comptent des individus spécialisés, certains pour la reproduction, d’autres pour les divers travaux ou le soin des petits.
L’intérêt évolutif de ce fonctionnement assez rare dans la nature serait le suivant: chaque ouvrière produirait plus de copies de ses gènes en aidant la reine à lui faire des sœurs quasi-jumelles qu’en les produisant elle-même. « Nous avons décidé de vérifier cette hypothèse en étudiant les fourmis», poursuit Ehad Abouheif.
Il a constaté que toutes les fourmis ne sont pas aussi spécialisées. «Il existe quelques espèces sans reine où les ouvrières ont toutes la capacité de se reproduire. C’est le cas des fourmis Diacamma, en Inde. Les ouvrières adultes ont de petits moignons d’ailes, mais l’ouvrière dominante les leur arrache à la sortie du cocon, ce qui semble leur ôter la capacité de se reproduire. À la mort de la matrone, la première ouvrière qui naît garde ses “ailes” et devient sa remplaçante.» Ces colonies de petite taille – une quinzaine d’individus – sont des sociétés guerrières et répressives. Les combats y sont fréquents pour déloger la femelle reproductrice qui gère d’une patte de fer la stérilité des ouvrières.
Au sud du Québec, les colonies d’Amblyopone pallipes sont un peu différentes. Elles comptent bien une reine, mais celle-ci ne se distingue pas tellement de ses ouvrières et doit parfois employer la force pour maintenir son statut.
À l’autre bout du spectre, certaines espèces ont poussé le partage des tâches à l’extrême. «Chez les fourmis champignonnistes d’Amérique centrale, explique le chercheur, la colonie de quelques millions d’individus est divisée en castes (jusqu’à 8), et la reine est jusqu’à 300 fois plus grosse que ses plus petites ouvrières.»
Impossible pour elle de contrôler par la force les instincts reproducteurs des membres de son immense colonie. «Dans ces sociétés avancées, nous avons découvert un mécanisme plus subtil pour empêcher la reproduction des ouvrières. Celles-ci sont toutes dotées d’organes reproducteurs fonctionnels et elles pondent des œufs, mais ces œufs ne sont pas viables.» Ce sont des œufs trophiques c’est-à-dire qu’ils sont destinés à nourrir les consœurs.
Grâce à des marqueurs moléculaires, l’équipe de Ehad Abouheif a observé la protéine Vasa dans les œufs en formation. Pour un œuf normal, cette protéine s’accumule sur la paroi à l’extrémité où se trouvera la partie postérieure de l’animal. Dans les œufs trophiques, par contre, elle est diffuse à l’intérieur de l’œuf, ce qui indique qu’ils ne sont pas destinés à la reproduction.
Dans ces colonies, la reine n’a donc pas à intervenir pour freiner les envies reproductives de ses ouvrières. Elle les a dotées au départ d’un système reproducteur inefficace. La société est éminemment stable, car les petites fourmis ne sentent pas le besoin de combattre une hiérarchie. La reine peut procréer tranquillement. Succès darwinien assuré!
Fourmis maudites
Les fourmis sont la seule difficulté qui est apparue insurmontable à Darwin dans l’élaboration de sa théorie. «Le succès évolutif d’un individu consiste à réussir à transmettre ses caractères à la génération suivante», avançait-il. Comment se fait-il alors que des castes entières de fourmis puissent renoncer à la reproduction et quand même continuer à évoluer et à s’adapter?
Pour sortir de l’impasse, il avait tenté cette élégante hypothèse: comme toutes les ouvrières descendent de la même reine, elles sont très étroitement apparentées les unes aux autres. Il devient donc «évolutivement rentable» d’aider la descendance de sa mère à survivre plutôt que de se reproduire soi-même. C’est la colonie dans son ensemble qui subit les pressions de la sélection, comme s’il s’agissait d’un seul individu. Hypothèse maintenant confirmée!