Pendant longtemps, la question de savoir comment, à la suite de changements aléatoires (mutations) dans le génome du vivant, de nouvelles informations apparaissent, est restée ouverte. Cependant, les scientifiques étaient toujours en mesure de comprendre comment l'expansion et la reconstitution du génome se produisent. L'un des mécanismes les plus importants pour obtenir de nouvelles informations est le processus de duplication des gènes
Sur la photo: pygargue à tête blanche. Il voit le monde dans une gamme de couleurs plus large qu'une personne.
Alexander Markov, docteur en sciences biologiques, chercheur principal de l'Institut de paléontologie de l'Académie des sciences de Russie, parle de lui.
Comment les nouvelles découvertes dans le domaine de la génétique permettent-elles de comprendre le mécanisme d'apparition de nouveaux gènes et de nouvelles propriétés dans l'organisme?
- L'un des arguments les plus typiques des personnes qui nient l'évolution ressemble à ceci: nous ne pouvons pas imaginer comment de nouvelles informations peuvent survenir à la suite de mutations aléatoires dans le génome. Il semble intuitivement à beaucoup que les modifications aléatoires apportées, par exemple, à un texte, ne peuvent pas créer de nouvelles informations. Ils ne peuvent apporter que du bruit ou du chaos. Pendant ce temps, la science aujourd'hui est déjà très bien consciente de la manière dont, au cours de l'évolution, de nouvelles informations apparaissent dans le génome, de nouveaux gènes, de nouvelles fonctions, de nouvelles caractéristiques dans un organisme, etc. Et l'un des mécanismes les plus importants pour l'émergence de nouvelles informations génétiques est la duplication des gènes et la division ultérieure des fonctions entre eux. L'idée est très simple: il y avait un gène, maintenant il y en a deux à la suite d'une mutation aléatoire. Au début, les gènes sont les mêmes. Et puis, à la suite de l'accumulation de mutations aléatoires dans deux copies de ce gène, elles deviennent légèrement différentes et il y a une chance qu'elles partagent des fonctions entre elles.
Donnez un exemple de l'émergence d'un nouveau gène
- Il existe maintenant de nombreux exemples bien étudiés. En général, cette idée elle-même est assez ancienne, dans les années 1930, le grand biologiste, le généticien John Haldwin a suggéré que la duplication, c'est-à-dire la duplication de gènes, joue un rôle important dans l'émergence des innovations évolutionnistes. Et ces dernières années, en lien avec le développement de la génétique moléculaire, la lecture des génomes, il est apparu de nombreux exemples convaincants, de bonnes illustrations de la manière dont cela se passe réellement. L'un des plus brillants, est associé à l'évolution de la vision des couleurs chez les mammifères, ou plutôt, plus largement encore, chez les vertébrés terrestres. Lorsque les vertébrés terrestres sont apparus pour la première fois, sont arrivés à terre à l'époque du Dévonien, ils avaient encore la vision dite tétrochromatique, qui a surgi au niveau des poissons. Qu'est-ce que ça veut dire? La vision des couleurs est déterminée par les protéines sensibles à la lumière de la rétine - il existe de telles cellules coniques,qui sont responsables de la vision des couleurs et dans ces cônes se trouvent des protéines sensibles à la lumière appelées opsines. Le poisson à partir duquel les vertébrés ont évolué et les premiers vertébrés terrestres avaient quatre opsines de ce type. Chaque opsin est réglé sur une longueur d'onde spécifique.
Peut-on dire que les poissons voient exactement quatre couleurs?
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- Cela ne signifie pas qu'un opsin donné ne réagit qu'à une onde donnée, cela signifie qu'une longueur d'onde donnée excite le plus cet opsin, et plus la longueur d'onde diffère, plus elle réagit faible. Le système de vision des couleurs tétrachromatique est un très bon système, il permet de distinguer très clairement les nuances de tout le spectre et, chez de nombreux vertébrés modernes, il a été conservé, par exemple, chez les oiseaux. Les oiseaux sont excellents pour distinguer les couleurs, apparemment meilleurs que nous. Beaucoup peuvent voir dans la gamme ultraviolette, certaines espèces ont des motifs UV sur leur plumage. Et peut-être que les oiseaux ont trouvé le système de transmission des couleurs de nos téléviseurs et moniteurs extrêmement médiocre. Parce que nous utilisons un système trichrome, mélangeant trois couleurs - notre vision est arrangée de la même manière. L'oiseau en a quatre, pas trois.
Autrement dit, les gens en comparaison avec les oiseaux voient le monde plus primitif
- Du point de vue des oiseaux, nous sommes un peu daltoniens. Chez l'homme, comme je l'ai dit, le système trichromatique est composé de trois opsines, réglées sur trois ondes différentes. Un pour le bleu, un autre pour le vert et le troisième, décalé vers le jaune. Mais le plus intéressant est que d'autres mammifères, en plus des humains et des singes, ont une vision dichromatique, ils n'ont que deux opsines. Ils n'en ont pas un tiers, qui est le plus proche de l'extrémité rouge du spectre, et ils distinguent donc le bleu du vert, mais ils ne distinguent pas le vert du rouge. Comment est-ce arrivé? Pourquoi les mammifères ont-ils perdu deux opsines?
On sait que les ancêtres en avaient quatre et les mammifères en ont deux. Apparemment, la perte de deux opsines était associée au fait que les mammifères sont passés à un mode de vie nocturne à l'aube de leur histoire. Pourquoi sont-ils passés à un mode de vie nocturne? Cela était dû aux vicissitudes d'une longue compétition entre les deux principales lignées évolutives de vertébrés terrestres. Ces lignes, elles sont appelées synapside et diapside. La lignée synapside est constituée de lézards ressemblant à des animaux, de reptiles ressemblant à des animaux. Et ce groupe était dominant parmi les vertébrés terrestres dans les temps anciens, à l'époque du Permien, il y a plus de 250 millions d'années. Puis, à l'époque du Trias, ils avaient de puissants concurrents, des représentants de la lignée diapside. Chez les animaux modernes, tous les reptiles, crocodiles, lézards et oiseaux appartiennent à la lignée diapside. Dans la période du Trias, des prédateurs actifs sont apparus, courant rapidement, y compris sur deux pattes. Les reptiles diapides, les crocodiles ont commencé à évincer nos ancêtres des reptiles synapidés ou à dents d'animaux. Et cette compétition s'est terminée dans un premier temps pas en faveur de nos ancêtres. À la fin du Trias, des reptiles diapides à évolution rapide sont apparus, ils ont donné naissance à un nouveau groupe, un nouveau groupe est né d'eux - les dinosaures, qui sont devenus pendant très longtemps les prédateurs et herbivores dominants de jour sur toute la planète. Ils occupaient toutes les niches de jour, les niches animales de la classe des grandes tailles. À la fin de la période triasique, des reptiles diapides à évolution rapide sont apparus, ils ont donné naissance à un nouveau groupe, un nouveau groupe en est venu - les dinosaures, qui sont devenus pendant très longtemps les prédateurs et herbivores dominants de jour sur toute la planète. Ils occupaient toutes les niches de jour, les niches animales de la classe des grandes tailles. À la fin du Trias, des reptiles diapides à évolution rapide sont apparus, ils ont donné naissance à un nouveau groupe, un nouveau groupe est né d'eux - les dinosaures, qui sont devenus pendant très longtemps les prédateurs et herbivores dominants de jour sur toute la planète. Ils occupaient toutes les niches de jour, les niches animales de la classe des grandes tailles.
La ligne synapside a été forcée de rentrer dans la nuit, souterraine, ils ont été écrasés. Dans la période permienne, il y avait des reptiles synapses géants, à la fin de la période triasique, il restait une petite chose. Dans le même temps, à la fin de la période triasique, le processus de la soi-disant mammiférisation des reptiles synapses était achevé, c'est-à-dire que, grosso modo, les premiers mammifères sont apparus. Tous les autres reptiles synapses se sont éteints, et un groupe est devenu des mammifères et ils ont survécu. Mais ils ont survécu, devenant petits et nocturnes. Tout au long du Jurassique et du Crétacé, les mammifères étaient nocturnes - ils ressemblaient à une sorte de musaraigne, de souris. Comme ils étaient nocturnes, la vision des couleurs devenait presque inutile pour eux. Parce que les cônes ne fonctionnent toujours pas la nuit, la sélection naturelle ne pouvait pas supporter quatre vision descriptive tétrochromatique,parce que cette vision n'était pas nécessaire.
La sélection naturelle ne peut pas regarder vers l'avenir, elle fonctionne comme ceci: soit vous utilisez le gène, soit vous le perdez. Si le gène n'est pas nécessaire ici et maintenant, alors les mutations qui surviennent et le gâtent ne sont pas éliminées par sélection, et le gène échoue tôt ou tard.
La perte de gènes vise probablement à préserver toutes les forces dans le corps, à une économie maximale, une efficacité maximale, c'est-à-dire que rien ne doit fonctionner au ralenti dans notre corps
- En principe, oui, bien sûr, c'est de l'économie - l'excès de protéines n'est pas synthétisé. Je dois dire qu'en général, beaucoup de protéines en excès sont synthétisées dans le corps, qui sont devenues inutiles, mais n'ont pas encore eu le temps de mourir, cela n'arrive pas si vite, mais à la fin ça arrive. Au début, on pensait que les deux gènes opsine avaient été perdus par les ancêtres des mammifères ou les premiers mammifères très rapidement et pratiquement en même temps. Maintenant, dans le génome de l'ornithorynque - et c'est un représentant des mammifères les plus primitifs, il y a l'un des gènes perdus. Autrement dit, l'ornithorynque a trois opsines supplémentaires, tandis que les mammifères plus avancés n'en ont que deux. Les gènes ont donc été perdus à leur tour. L'ancêtre commun des mammifères avait encore trois opsines, et des placentaux et des marsupiaux, à l'exclusion de l'ornithorynque ovipare et de l'échidné, seulement deux opsines.
Comment donc nos ancêtres, les singes, ont-ils retrouvé leur vision trichromatique? Et ici, le mécanisme de duplication des gènes a fonctionné. Lorsque l'ère des dinosaures a pris fin et que les mammifères ont pu redevenir diurnes, ils sont restés avec leur vision dichromatique, car il n'y avait nulle part où prendre les gènes perdus.
Et cela continue dans la plupart des groupes de mammifères, même s'il leur serait utile de distinguer les couleurs, mais il n'y a nulle part où prendre le gène. Mais les ancêtres des singes de l'Ancien Monde ont eu de la chance. Ils avaient l'un des deux gènes opsine restants subissant une duplication, une duplication et une sélection naturelle rapidement accordé deux copies du gène résultant à différentes longueurs d'onde. Il n'a fallu que trois mutations pour le faire - remplacer trois acides aminés dans une protéine, un changement assez mineur. Une petite opération, en raison de laquelle la longueur d'onde à laquelle réagit l'une des opsines s'est déplacée vers le côté rouge. Cela suffit pour que nous puissions faire la distinction entre le rouge et le vert. Cela a permis aux ancêtres des premiers singes de l'Ancien Monde de passer à la consommation de fruits et de feuillage frais dans les forêts tropicales: il est très important de distinguer le rouge du vert,fruits mûrs de feuilles non mûres et jeunes de vieilles feuilles.
Mais cela n'est arrivé qu'aux singes de l'Ancien Monde. C'est un événement heureux - la duplication du gène s'est produite chez les ancêtres des singes de l'Ancien Monde après que l'Amérique se soit séparée de l'Afrique et ait nagé, entre eux se trouvait l'océan Atlantique. Les singes américains n'ont pas eu de chance et la plupart d'entre eux se sont retrouvés avec une vision dichromatique. Et ils vivent toujours comme ça. Bien sûr, il leur serait également utile de distinguer les fruits rouges des fruits verts, mais que pouvez-vous faire s'il n'y a pas de gène.
Il s'avère que les singes du Nouveau Monde ne font pas la distinction entre le rouge et le vert, font des erreurs, mangent quoi que ce soit?
- C'est comme ça. C'est peut-être pour cela que les singes de l'Ancien Monde sont devenus des personnes, et les singes du Nouveau Monde ne l'ont pas fait.
Auteur: Olga Orlova
