Parmi les amphibiens, la salamandre Hydromantes est la championne de la vitesse de tir à la langue. En moins de cinq millisecondes, elle peut attraper un insecte malheureux en vol - cette fois comprend le travail des muscles, du cartilage et des parties du squelette. Si vous comparez cette anatomie balistique avec des grenouilles et des caméléons, ces derniers sont des sloops. David Wake, biologiste évolutionniste à l'Université de Californie à Berkeley, déclare: «J'ai passé environ 50 ans à étudier l'évolution des langues de la salamandre. C'est vraiment intéressant, car en général ils ne diffèrent pas par la vitesse élevée, mais néanmoins ils peuvent faire le mouvement le plus rapide de ceux qui sont disponibles pour les vertébrés que je connais. Tout au long de leur développement, l'évolution a trouvé un moyen plus efficace d'assurer une chasse réussie avec la langue. Leur adaptation apparemment unique semble êtredéveloppé indépendamment dans trois espèces de salamandre non apparentées. Ceci est un exemple d'évolution convergente, lorsque différents individus développent indépendamment des adaptations biologiques similaires sous l'influence des mêmes facteurs environnementaux. Les salamandres sont un exemple préféré que Wake cite lorsqu'on lui pose la question de longue date de la biologie évolutionnaire: si vous rembobinez la bande de l'évolution, est-ce qu'elle se répétera? Apparemment, c'est ce qui s'est passé dans le cas des salamandres; avec d'autres organismes, cela ne s'est peut-être pas produit.si vous rembobinez la bande de l'évolution, va-t-elle se répéter? Apparemment, c'est ce qui s'est passé dans le cas des salamandres; avec d'autres organismes, cela ne s'est peut-être pas produit.si vous rembobinez la bande de l'évolution, va-t-elle se répéter? Apparemment, c'est ce qui s'est passé dans le cas des salamandres; avec d'autres organismes, cela ne s'est peut-être pas produit.
Cette question est connue pour être posée pour la première fois par le biologiste évolutionniste récemment décédé Stephen Jay Gould en 1989 dans son livre Amazing Life: The Burgess Shales and the Nature of History, qui a été publié à une époque où les gens écoutaient encore de la musique sur des cassettes. Le livre parlait des fossiles trouvés dans les schistes de Burgess, laissés par une myriade d'animaux étranges qui vivaient sur notre planète il y a environ 520 millions d'années, pendant la période cambrienne. Presque tous les animaux qui existent aujourd'hui ont des ancêtres qui vivaient au Cambrien, mais tous les animaux de cette époque n'ont pas de descendants à notre époque. De nombreux individus cambriens se sont éteints parce qu'ils n'étaient pas suffisamment adaptés à la lutte pour la survie, ou parce qu'ils étaient au mauvais endroit au mauvais moment lorsque des volcans ont éclaté, des météorites sont tombées ou d'autres événements dévastateurs se sont produits.
Gould a vu l'incroyable variété de restes d'animaux à Burgess et a émis l'hypothèse que notre flore et notre faune seraient différentes si l'histoire avait tourné dans l'autre sens. Il a suggéré que les mutations chaotiques et les extinctions d'espèces, qu'il appelait des «accidents historiques», se superposeraient, déplaçant l'évolution dans une direction ou une autre. Selon Gould, l'existence de tout animal, y compris les humains, est un phénomène rare, dont la répétition, dans le cas du «rembobinage et lancement» à partir de la période cambrienne, est peu probable. Dans son livre, Gould fait souvent référence aux travaux sur le fossile de Burgess par le paléontologue Simon Conway Morris de l'Université de Cambridge, mais le scientifique lui-même est fortement en désaccord avec le point de vue de Gould.
Conway Morris pense qu'avec le temps, la sélection naturelle oblige les organismes à subir une série d'adaptations pour remplir les niches écologiques limitées de la Terre. Cela conduit au fait que les espèces non apparentées convergent constamment dans la structure corporelle. «Les animaux doivent se construire conformément aux exigences physiques, chimiques et biologiques de ce monde», a-t-il déclaré. Conway est convaincu que de telles restrictions rendent presque inévitable que, dans le cas du "rembobinage de la bande", l'évolution conduirait tôt ou tard à l'émergence d'organismes similaires à ceux qui existent dans notre monde. Si nos ancêtres singes n'avaient pas développé un cerveau et l'esprit qui y était attaché, selon le scientifique, une autre branche comme les corbeaux ou les dauphins pourrait occuper la niche dans laquelle l'homme se trouve maintenant. Mais Gould n'est pas d'accord.
Les deux scientifiques reconnaissent que l'aléatoire et la convergence (développement indépendant jusqu'à l'apparition de signes similaires - environ nouveau pourquoi) se produisent dans l'évolution. Au lieu de cela, la discussion se concentre sur la façon dont les adaptations clés uniques ou reproductibles comme l'esprit humain sont. Dans l'intervalle, d'autres biologistes se sont attaqués au puzzle et ont montré comment la convergence et l'aléatoire s'influencent mutuellement. Comprendre l'interaction de ces forces peut nous aider à déterminer si tout ce qui est vivant est le résultat de 7 milliards d'années de coïncidences réussies, ou si nous tous - humains et salamandres - faisons partie de l'inévitabilité, comme la mort ou les impôts.
Au lieu d'essayer de recréer l'histoire à l'aide de fossiles, Richard Lenski, biologiste évolutionniste à l'Université du Michigan, a décidé d'observer les phénomènes de convergence et de hasard en temps réel dans l'environnement contrôlé de son laboratoire. En 1988, il a divisé la population de bactéries Escherichia coli et les a placées dans 12 réservoirs séparés de milieux de culture liquides, leur permettant ainsi de se développer indépendamment les uns des autres. Depuis 26 ans maintenant, tous les quelques mois, lui ou l'un de ses élèves congèle un lot de bactéries. Ce kit de germes congelés donne à Richard la possibilité de «redémarrer le film» du cycle de vie d'E. Coli à tout moment, en décongelant simplement une portion. Pendant tout le processus, il peut vérifier,comment les bactéries changent - à la fois en termes de génétique et en termes de ce qui ne peut être vu qu'au microscope. Lenski explique: "L'ensemble de l'expérience a été mis en place pour tester la répétabilité de l'évolution."
Dans 11 réservoirs de Lenski, E. coli a augmenté en taille, mais les bactéries du douzième échantillon se sont divisées en deux branches indépendantes - l'une avec de grandes cellules, l'autre avec de petites cellules. Lenski dit: «Nous les appelons« grands »et« petits ». Ils coexistent déjà depuis 50 000 générations ». Cela ne s'est produit dans aucune autre population; par conséquent, nous pouvons conclure qu'un événement évolutif aléatoire s'est produit. Et même 26 ans plus tard, aucun autre essai n'a répété l'apparition d'une telle branche. Ainsi, dans cette situation, le hasard semble avoir prévalu sur la convergence.
En 2003, il y a eu un autre épisode accidentel. Le nombre de bâtonnets dans l'un des réservoirs a augmenté à un point tel que le milieu de culture, qui est normalement transparent, devient trouble. Dans un premier temps, Lenski a décidé qu'il y avait une contamination normale de l'environnement, mais il s'est avéré que E. coli, qui ne mangeait normalement que du glucose dissous dans un liquide, a développé la capacité de consommer un autre élément contenu dans les réservoirs: le citrate. Après 15 ans et 31 500 générations, une seule des colonies était capable de traiter cette substance. Le nombre de bactéries qu'il contient a commencé à croître 5 fois plus vite que dans les autres colonies.
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Cet «accident historique» a donné à Richard et à son diplômé Zachary Blount l'occasion de tester la probabilité qu'un tel événement se reproduise s'ils «rembobinaient la bande». Blount a sélectionné à partir du stockage 72 échantillons de bâtonnets congelés collectés à différents stades de l'expérience auprès d'une population qui a ensuite pu incorporer le citrate dans son métabolisme. Il les a décongelés et a stimulé leur reproduction. Bientôt, 4 échantillons sur 72 ont développé la même capacité à consommer du citrate. Fait intéressant, ces mutations ne se sont produites que dans des populations congelées après un cycle de 30 500 générations. L'analyse génétique a montré que peu de temps auparavant, plusieurs gènes ont subi des changements qui ont contribué à l'émergence d'une évolution avec le métabolisme du citrate. En d'autres termes, la capacité d'absorber le citrate dépendait de l'apparition d'autres mutations qui l'ont précédé. Il a créé une fourchettechanger les voies possibles que les générations futures peuvent emprunter.
Connu sous le nom d'expérience évolutive à long terme, ce projet d'E. Coli a maintenant traversé 60000 générations, donnant à Richard un ensemble de données solides à partir duquel tirer des conclusions sur les interactions du hasard et de la convergence dans l'évolution. Des modifications subtiles de l'ADN des bactéries, les rendant plus grandes ou plus capables de se reproduire rapidement, sont devenues des événements fréquents dans divers réservoirs. Dans le même temps, Lenski a été témoin d'événements aléatoires «surprenants» au cours desquels quelque chose de complètement différent des autres s'est produit dans l'une des populations. Mais comme dans le phénomène de convergence, ces transformations n'étaient pas complètement aléatoires.
«Tout n'est pas possible», quel que soit le processus, explique Wake: «Les organismes se développent dans le contexte de caractéristiques héritées». Les animaux ne peuvent pas transmettre de mutations destructrices ou empêchant la reproduction. Dans le cas de la salamandre Hydromantes, ses ancêtres ont dû surmonter une limitation importante: pour obtenir leurs langues de tir, il fallait sacrifier leurs poumons. En effet, une partie de ce mécanisme s'est développée à partir de muscles utilisés par leurs prédécesseurs pour pomper de l'air dans les poumons. Aujourd'hui, ce muscle autrefois petit et faible est devenu beaucoup plus gros et plus fort. Il s'enroule comme un ressort autour de l'os en forme de cône à l'arrière de la cavité buccale, et lorsque le muscle se contracte, l'os crée une tension, qui tire la langue avec son appareil osseux de la bouche. Ainsi, les ancêtres d'Hydromantes n'ont pas simplement acquis une mutation,qui a évolué vers un "langage balistique". Au lieu de cela, cette adaptation a suivi une série de changements qui ont d'abord permis à la créature de surmonter sa dépendance pulmonaire à l'oxygène et de flotter à la surface de l'eau. Chaque changement dépendait du précédent.
Les caméléons, à leur tour, ont conservé leurs poumons. Plutôt que de bricoler leur anatomie, ils ont développé du collagène, permettant à la langue de tirer sur une proie. À première vue, les langues des salamandres et des caméléons sont un exemple de convergence, mais si vous regardez de près, il devient clair que ce n'est pas le cas. Il faut 20 millisecondes à un caméléon pour tirer, ce qui est un rythme d'escargot par rapport aux cinq millisecondes des salamandres. Pourquoi les caméléons ont-ils eu des langages si lents? Réponse: Ils ont été confrontés à un obstacle sur le chemin de l'évolution convergente. La langue du caméléon est suffisamment rapide pour leur permettre de survivre, mais il leur manque la «structure de trait héréditaire» pour développer l'anatomie balistique plus mortelle des salamandres. Les caméléons ont atteint un «pic adaptatif», comme le disent les biologistes.
Dans des expériences avec des virus qui infectent des bactéries - bactériophages - le biologiste de Harvard David Liu a également découvert des pics adaptatifs. Ces pics limitent la capacité des organismes à converger vers une structure optimale. Ils expliquent pourquoi les accidents ne se produisent pas souvent.
Liu voulait savoir si des groupes identiques de bactériophages pourraient développer indépendamment la même enzyme si la même pression évolutive leur était appliquée. Il a accéléré l'évolution des protéines dans les virus en utilisant un système qu'il a appelé PACE.
Au cours de l'expérience, les virus qui n'ont pas réussi à produire une enzyme dont Liu avait besoin ont été retirés de l'expérience. Seuls sont restés ceux qui avaient atteint le but. Certains d'entre eux se sont révélés «meilleurs» que d'autres. Dans ce cas, ils avaient besoin de l'enzyme polymérase, qui détecte une certaine séquence d'ADN et la transforme en ARN, et certaines polymérases ont reconnu la séquence plus précisément que d'autres. Comme le langage relativement lent des caméléons, ces virus ont développé des adaptations qui leur permettent de survivre, mais les empêchent d'obtenir la meilleure polymérase. Certains virus sont restés bloqués à un pic bas, certains ont grimpé plus haut.
Pour comprendre ce que les biologistes entendent par pics adaptatifs, imaginez une zone dont la topographie représente des niveaux élevés et faibles de potentiel reproducteur. Dans le cas des bactériophages de Liu, différentes populations ont étudié la zone, acquérant différentes mutations. Certains se sont retrouvés sur de petites collines, d'autres sur des montagnes de la taille de l'Everest. Et ainsi ils ont commencé à grimper au sommet qu'ils ont obtenu. Après avoir gravi une montagne basse, les virus ne peuvent pas se déplacer vers une autre plus haute. Pour ce faire, ils devront d'abord redescendre, réduisant leurs chances de survie à chaque pas. C'est très difficile à faire, car il ne faut pas oublier la survie du plus apte. Quelle mutation se produira avant les autres - quel pic ira au corps - c'est un accident historique, que l'évolution convergente ne peut surmonter qu'avec de grandes difficultés,si c'est possible du tout.
Le moment de l'apparition des mutations est important. «Des événements aléatoires précoces qui créent une différence dans le pool de gènes peuvent affecter de manière significative si une mutation bénéfique peut en fin de compte affecter la survie d'un organisme», explique Liu. "Ces accidents réduisent la répétabilité de l'évolution." Dans cette expérience, le hasard a dépassé la convergence. Les événements qui se sont produits ont empêché la récurrence.
Une façon dont la vie peut surmonter les limites des pics adaptatifs a été découverte lors de l'étude des organismes numériques par les biologistes informatiques de l'Université de l'État du Michigan Chris Adami et Charles Ofria. Ils ont créé le programme informatique Avida, dans lequel les organismes numériques évoluent dans les conditions fixées par l'expérimentateur. Les avidiens mutent, acquérant et perdant au hasard des lignes de code qui leur permettent de résoudre des problèmes mathématiques, ce qui augmente leur capacité à se reproduire.
Dans une expérience, les Avidiens ont été chargés d'obtenir la capacité de résoudre le problème logique complexe de «l'identité au niveau du bit». Seules 4 populations numériques sur 50 ont développé le code nécessaire à la réalisation de l'opération. Toutes les populations réussies ont initialement reçu de nombreuses mutations (lignes de code aléatoires) qui compliquent la résolution de problèmes mathématiques et, par conséquent, la reproduction. Aussi paradoxal que cela puisse paraître, Ofria a découvert que les mauvaises mutations précoces jouent un rôle clé dans l'amélioration de la forme physique des générations futures, peut-être parce qu'elles créent une diversité génétique à partir de laquelle de nouvelles mutations aléatoires peuvent survenir.
La rareté de l'une des séquences d'événements confirme-t-elle qu'il est peu probable que les grands virages de l'évolution se reproduisent? Expérimentalement, c'est vrai, mais Conway Morris dit fermement non. «Il est insensé de penser qu'il n'y a pas du tout d'accident. La seule question est le temps. Il pense qu'avec suffisamment de temps et de génomes de mutation, la sélection naturelle mènera la vie à des adaptations inévitables qui sont les mieux adaptées à la niche écologique des organismes, quelles que soient les chances qui se présentent. Il pense qu'un jour, toutes les bactéries E. coli de l'expérience de Lenski commenceront à absorber le citrate et que tous les virus Liu escaladeront leur mont Everest. De plus, ces expériences ont été menées dans des environnements très simples et contrôlés, contrairement aux écosystèmes complexes auxquels s'adapte la vie en dehors du laboratoire. Dur à dire,l'influence du monde réel aurait changé les expériences.
À ce jour, le plus gros défaut de toutes les tentatives de réponse à la question du film de la vie est que les biologistes ne peuvent tirer des conclusions qu'à partir d'une seule biosphère - la Terre. Une rencontre avec un organisme extraterrestre nous en dirait beaucoup. Même si les organismes extraterrestres n'ont pas d'ADN, ils présenteront très probablement des schémas d'évolution similaires. Ils auront besoin de matériel à transmettre aux descendants, guidant le développement des organismes et changeant au fil du temps. Comme le dit Lenski, "Ce qui est vrai pour E. coli l'est pour les microbes dans tout l'univers."
Par conséquent, la même interaction entre la convergence et le hasard peut être observée sur d'autres planètes. Et si la vie extraterrestre subit la pression évolutive d'un environnement similaire à celui vécu par la vie terrestre, les gens du futur peuvent trouver des extraterrestres qui ont développé de manière convergente une intelligence similaire à la nôtre. D'un autre côté, si des événements aléatoires s'accumulent, menant la vie sur des chemins uniques, comme l'a suggéré Gould, la vie extraterrestre peut être inhabituellement étrange.
Gould croyait que les humains sont «un événement évolutionnaire extrêmement improbable». À titre de preuve, il a souligné qu'au cours des 2,5 milliards d'années de vie sur Terre, l'intelligence humaine n'est apparue qu'une seule fois. Il considérait que la probabilité qu'une autre espèce développerait une intelligence comme la nôtre était terriblement petite. Du fait que nous sommes peut-être la seule espèce intelligente de l'univers, nous pouvons tirer des conclusions qui vont au-delà de la biologie. "Certains voient cette possibilité comme une cause de dépression", a écrit Gould dans The Wonderful Life. "Je l'ai toujours considérée comme revigorante, source à la fois de liberté et, par conséquent, de responsabilité morale."
Zach Zorich
La traduction a été réalisée par le projet New