L’espèce en biologie: une histoire de sexe.

Ça n’est pas ce qui est qui compte,
C’est l’histoire,
C’est l’histoire,
La façon dont on la raconte
Pour le faire savoir.

Selon Yves Duteil

J’apprécie le groupe ∏ pour la culture de chacun et la bienveillance de tous. Récemment, nos réflexions se sont d’avantages tournées vers la biologie. Nous discutons de questions telles que: « Qu’est-ce que la vie ? », ou « L’épigénétique donne-t-elle raison à Lamarck contre  Darwin? »  Lors d’une des dernières rencontres, nous avons parlé d’espèces et j’ai cru comprendre que, pour plusieurs d’entre nous, le concept semble être un construit culturel plus qu’une réalité naturelle. Cela n’est pas une surprise, à ∏, le mot devient souvent le fait. La tendance est semblable dans le livre de Kupiec (2013) sur lequel Françoise a attiré notre attention. Pas de surprise là non plus, le sujet annoncé porte sur l’histoire et ses débats.

Dans ce qui suit, je vais essayer de ramener le mot à son concept et de montrer que, chez les eucaryotes qui se reproduisent sexuellement, il s’agit d’une solide réalité naturelle.

Comme il se doit, nous commençons par Darwin – pas par Charles bien sûr, mais par la théorie darwinienne de l’évolution telle que nous la comprenons aujourd’hui. Nous connaissons ses deux tenants indissociables : la variation aléatoire et la sélection par le milieu d’organismes qui se continuent dans leur descendance.

À l’origine de la vie, dans le grand jeu du désordre et de l’ordre toujours changeant, sont  apparus des organismes individualisés capables de transmettre leur « recette[1]» à la génération suivante. Nous savons très peu de ce qu’étaient ces organismes et leur « recette ». Faute de données substantielles, notre imagination est bien incapable de saisir l’ampleur de ce qui aurait pu être[2]. Quoi qu’il en soit, dès ce moment, Darwin s’applique. Le résultat est, 4 milliards d’années plus tard, ce que nous savons.

Aujourd’hui, à la base de la variation darwinienne nous mettons la mutation, c’est-à-dire le changement aléatoire d’une lettre de la recette génétique que l’ADN transmet à la génération suivante et au crible de la sélection. Charles Darwin en avait bien vu le principe qu’illustre la seule figure de son livre « L’origine des espèces », mais Emma, sa femme, comme beaucoup d’autres encore aujourd’hui, peinait à admettre que ce principe put rendre compte de l’aile de l’oiseau ou de l’œil humain. On la comprend, mais Charles, en invoquant notre manque d’imagination et de connaissance, avait raison ; il faut bien voir que les moyens de la vie sont surprenants de richesse et de diversité.

L’un d’entre eux semble évident : il s’agit d’utiliser l’expérience d’autrui! Ainsi, lorsqu’au long des générations, un clone a évolué vers une fonctionnalité nettement différente, peut-être radicalement nouvelle, le transfert de cette information en un bloc à un autre organisme peut représenter un raccourci évolutif extraordinaire. Ce processus est nommé « transfert horizontal ». Ses marques se retrouvent dans tous les génomes. On lui doit, en particulier, les grands succès historiques que sont l’intégration des chloroplastes, organe de la photosynthèse dans le règne végétal, ou celle des mitochondries, usine de production d’énergie que l’on retrouve chez toutes les cellules à noyau. Aujourd’hui encore, le transfert horizontal est une voie essentielle de l’évolution. À quel prix !

Là en effet est le problème. On ne passe pas impunément une information génétique d’un organisme à un autre. Comme on ne met pas une roue de tracteur sur une voiture de tourisme, l’incompatibilité est de règle en cas de transfert sauvage. Le mélange des recettes est rarement digeste. Les organismes s’en protègent farouchement. L’hippopotamélephantocamélos n’est pas toléré. Conséquemment, nous pouvons manger tranquillement notre ratatouille, sans craindre que ses divers ADN  ne menacent le nôtre. Nous devons aussi constater qu’il n’est pas aisé de faire un bon OGM.

Toutefois, parce que l’avantage évolutif que peut offrir l’échange génétique entre organismes non apparentés peut, quelquefois, présenter un tel avantage que certains systèmes de transfert globaux continuent d’exister. Le plus connu se fait par virus interposés. Ainsi certains virus distribuent, au cours de leur pérégrination, des morceaux du génome emportés d’hôtes rencontrés précédemment. Une des conséquences en est que notre ADN est parsemé d’innombrables fragments d’origine étrange et quelquefois perturbatrice comme l’atteste une grande partie des cancers. Autre conséquence fâcheuses des transferts horizontaux : le SIDA.

Bref, il est bien clair que l’échange de matériel génétique entre organismes est dangereux et qu’il doit être strictement limité.

À ce point de ma présentation, lecteur, tu te dis peut-être, « Eh oh ! Les échanges génétiques, je connais et j’aime ça ; j’suis marié et j’ai des enfants !» Ah oui, j’allais l’oublier.  Le sexe ! Un coup fumant inventé par … par qui ? L’évolution ? La vie ? La nature ? Non, un système de transfert horizontal qui s’est avéré donner un avantage évolutif  décisif à ceux qui le pratiquent. Le transfert est intense; à chaque génération, la moitié du génome est échangé avec celui d’un autre individu. On ne peut pas rêver plus.

Mais alors, le chaos, comment l’éviter lors d’une telle salade d’information génétique ?

La réponse est simple : il s’agit de limiter le sexe aux organismes suffisamment semblables pour que le partage des génomes (le transfert horizontal) offre plus d’avantages que d’inconvénients. On donne le nom d’espèce à ce groupe d’organismes.

Voilà, tout est dit ou presque.
Tout, vraiment? Disons plutôt que nous avons là une bonne base sur laquelle l’évolution développe son infinie richesse.

 

Remarquons quand même que la définition ci-dessus recouvre la définition classique de l’espèce: « Groupe d’êtres vivants pouvant se reproduire naturellement entre eux ». Encore heureux qu’il en soit ainsi!

Notons aussi qu’une espèce n’est pas définie à priori. Le chat ou le sapin ne sont pas inscrits dans la nature de l’évolution. Ils sont là où les a conduits le hasard et la nécessité ; cette nécessité qui veut que le sexe ne soit fructueux qu’entre organismes suffisamment proches. On le sait assez !

Remarquons finalement que, si le processus évolutif qui a conduit aux espèces telles que nous les observons aujourd’hui est immensément complexe, le principe qui le dirige est clair et bien défini. Principe simple, mais développements trop complexes pour notre imagination, voilà typiquement les ingrédients pour une modélisation informatique prometteuse. J’imagine que par ce biais, nous comprendrons mieux la notion d’espèces dans les années avenir. Je n’ai pas le même optimisme pour le projet Brain and Mind dont le sujet est également complexe, mais dont le principe me semble encore fort chancelant. On verra !



[1] Le mot recette est suffisamment inadéquat pour ne pas cadrer indument ce à quoi il réfère.

[2] Un modèle plaisant imagine un étang tempéré, riche en composants de la chimie prébiotique, dans lequel, un jour, une surface moléculaire s’est refermée sur des constituants capables dédoubler cette première cellule dont nous sommes tous les descendants. En tant que spécialiste de la glace, mon histoire préférée est différente – quoiqu’encore peu partagée. J’imagine un monde de glace dans lequel la matière en solution est concentrée aux interstices des cristaux de glace en autant de petites cellules isolées. Il fait froid, la chimie va lentement, mais elle a le temps. Une fois, lors d’un épisode de dégel, il est peut-être arrivé que l’une des petites cellules prît son autonomie. Ce n’était peut-être pas sur la Terre, les profondeurs d’un satellite de Jupiter ont pu faire l’affaire, moyennant un météore subséquent, éjectant des débris dans un fructueux voyage spatial. Il est amusant de noter qu’une des grandes difficultés de la chimie prébiotique est que, jusqu’il y a peu, on ne voyait pas comment les premiers ARN auraient pu se former. Ce sont pourtant des molécules clés dans tous les scénarios actuels du début de la vie. Une voie de synthèse compatible avec les constituants vraisemblables de la chimie prébiotique vient pourtant d’être découverte. Détail intéressant, elle ne peut fonctionner qu’à basse température. Référence.   

Kupiec, J.-J., Ed. (2013). La vie, et alors? Paris, Belin.

 

 

 

 

3 réflexions sur « L’espèce en biologie: une histoire de sexe. »

  1. Il y a eu des foultitudes de définition de l’espèce. J’ai arrêté d’examiner ces décourageantes tentatives après la publication de Hei qui en propose une vingtaine. Mais ce qui est sûr, c’est que la définition de Mayr (biological species concept, BSC: « groups of actually or potentially interbreeding natural populations, which are reproductively isolated from other such groups » ne joue pas pour tous les organismes.

    La plupart des espèces d’eucaryotes multicellulaires sans reproduction sexuée sont récentes, ce qui suggère qu’elles ne durent pas et que l’abandon du sexe, très favorable à court terme, est dangereux sur la durée. A l’échelle géologique, elles flamboient puis s’éteignent. On pourrait donc les négliger dans le raisonnement.

    Mais il y a les rotifères bdelloïdes qui nous font la nique. Ils se passent résolument de sexe depuis 80 millions d’années au moins. Ils sont diploïdes, mais sans meïose et donc sans recombinaison. Leurs loci homologues évoluent donc séparément. Mais ils pratiquent assidument le transfert horizontal d’ADN à partir de leurs proies! (Boschetti et al.)

    Ne serait-ce que pour eux, il faut bien trouver autre chose que le BSC car à première vue, ces bestioles forment bien des ensembles discrets qu’on appelle espèces : environ 200 espèces réunissant des bestioles écologiquement et génétiquement identiques ou presque, et clairement séparées des autres espèces.

    Dans ce cas la cohérence de l’ espèce est maintenue a) par l’absence de recombinaison; b) par l’extinction régulière de certains des clones en présence (toutes les bestioles à la génération t + n descendent d’un ancêtre commun à la génération t); c) par la sélection canalisante et d) par leur capacité à suspendre toute activité biologique lorsque le milieu n’est pas favorable. Ce qui fait qu’ils ne subissent pas de pressions sélectives divergentes par les fluctuations du milieu: ils attendent juste que le milieu soit de nouveau celui auxquel ils sont adaptés.

    Tu dis que chez les eucaryotes qui se reproduisent sexuellement, l’espèce est une solide réalité naturelle. Oui mais.

    Pour la plupart des espèces étudiées extensivement (à l’exception d’espèces de grands organismes à effectif faible) on a des difficultés à délimiter l’espèce précisément. On découvre dans la plupart des cas qu’une espèce donnée n’est pas encore tout-à-fait isolée génétiquement et que d’autre part elle est déjà en train de se différencier en espèces naissantes partiellement isolées génétiquement (p. ex. les goélands, mes musaraignes, de nombreux insectes…). Le BSC est un concept d’une clarté de cristal, mais pas vraiment facile à appliquer.

    Chez les bactéries, le transfert horizontal joue le rôle de « quasi-sexe » et on n’est donc pas trop loin du BSC. Intéressant article là:
    http://www.nature.com/scitable/blog/bio2.0/horizontal_gene_transfer_a_force

    Ne pas s’accoupler avec n’importe qui… je suppose que les mécanismes de reconnaissance cellulaire datent de longtemps avant le sexe proprement dit, je veux dire d’avant la meïose, et sont l’héritage de mécanismes de conjugaison des bactéries primitives.

    En ce qui concerne le sexe, il faudrait que tu précises que le transfert horizontal de gènes se fait au niveau de la meiose, pas au niveau de la fécondation. C’est pas très clair dans ton texte. La fécondation est la fusion de deux organismes haploïdes (de même taille à l’origine) ou au moins de leurs noyaux. La meïose est un mécanisme de transfert (réciproque!) de gènes entre deux génomes (et à l’origine entre deux organismes) haploïdes.

    Ce qui est intéressant c’est que la fusion (zygote) a apparement offert assez d’avantages (par la présence simultanée de gènes homologues fonctionnellement différents, allèles) pour que cette phase diploïde soit prolongée sur plusieurs générations cellulaires. Mais pas partout. La version « on fusionne, on recombine et on se sépare vite fait » existe toujours chez des algues, des champignons et des flagellés.

    Hey, J. (2001): The Mind of the Problem. Trends in Ecology & Evolution 16(7), 326- 329

    Boschetti Ch et al., 2012: Biochemical Diversification through Foreign Gene Expression in Bdelloid Rotifers.PLoS Genet 8(11): e1003035

    RNA primitif: Une voie plausible (en conditions prébiotiques terrestres « normales ») avait aussi été proposée par Powner MA et al. en 2009: Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions.Nature 459, 239-242.

  2. Salut Jacques,

    Pour les goélands, c’est un peu plus compliqué que ce que je t’avais dit à l’époque. source (relativement) récente ci-dessous, avec un titre inutilement provocateur (mais bon, faut bien vendre sa marchandise). En fait, les auteurs ont présenté une interprétation dogmatique de la « ring species » basée seulement sur l’isolation par la distance, et ont bien sûr pu démontrer qu’elle ne colle pas avec la réalité. Mais ça ne change rien au fait que ce n’est pas évident de définir une espèce dans le cas de ces goélands.

    Je crois que c’est fondamental chez l’homme – peut-être moins chez la femme 🙂 – de créer des catégories nettement définies pour structurer les connaissances et bâtir une conception du monde, quitte à rajouter du flou artistique après coup. En biologie, on est bien servi dans ce domaine, on a de belles définitions de la vie, de l’espèce, de l’individu, de l’organe, de la cellule, du sexe, de la population, et après on creuse et on trouve des ratatouillées d’exceptions, de contre-exemples et de cas limites.

    Est-ce que les virus sont vivants – et les Mimivirus ? Qu’est-ce que l’espèce chez les bactéries, l’individu chez les champignons, les coraux ou les fraises, la cellule dans les testicules (syncytium de Sertoli) ou les globules rouges des mammifères (pas de noyau), le sexe de Caster Semenya, et les limites d’une population ?

    Les définitions ne tiennent jamais, mais elles restent indispensables au raisonnement, à la manipulation intellectuelle des concepts.

    Je suis vachement philosophique, ce soir…

    Liebers D. et al, 2004: The herring gull complex is not a ring species. Proc. R. Soc. Lond. B 271, 893-901

  3. Cher Jacques…MERCI pour cette entrée cérébro-scientifique en 2014 qui stimule beaucoup mes neurones! Devant tant de complexité je peux qu’être dans l’étonnement total, la joie et l’émerveillement…! Vive la VIE, Christine Bourgeois

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