Suite du compte-rendu de symposium sur l’évolution à Rockefeller University, avec un grand débat qui agite la biologie évolutive : comment l’évolution a-t-elle créé des animaux à partir de bactéries ? (essai long mais plus synthétique, fait de mémoire et sans mes notes sûrement volées par un créationniste )

Il y a très très longtemps, dans une contrée très lointaine, on avait pris l’habitude de classifier toutes les espèces vivantes en deux grandes catégories. A ma gauche, la catégorie des procaryotes. En gros, il s’agit des bactéries dont notre ami Benjamin est le spécialiste maison estampillé c@fé des sciences. Les bactéries sont volontiers qualifiées de “simples” : ce sont des organismes unicellulaires, dont l’ADN est plus ou moins libre dans la cellule et qui n’ont pas de noyau. Pourtant, ce sont les bactéries qui sont les véritables maîtresses du monde, avec leur 10 puissance 30 soldats, ayant conquis tous les écosystèmes, à la base de nombreuses fonctions biologiques y compris à l’intérieur de notre propre corps.
Autant dire que la vielle catégorie de droite, les eucaryotes, fait pâle figure en comparaison (en tous cas en termes d’effectif). Pourtant, le monde des eucaryotes contient tous les êtres vivants pluricellulaires, en particulier les plantes et les animaux. Quant à la cellule eucaryote, elle possède de nombreuses propriétés inconnues des bactéries :

• d’abord, les cellules eucaryotes ont un noyau cellulaire; l’ADN est composé de plusieurs chromosomes
• ensuite, les cellules eucaryotes ont un véritable squelette interne, le cytosquelette. Il s’agit de polymères biologiques qui structurent la cellule et lui assurent en particulier sa rigidité
• grâce à ce cytosquelette, les cellules eucaryotes sont capables de faire des trucs impossibles pour une bactérie : changer leur forme, se déplacer en lançant des espèces de tentacules, voire phagocyter d’autres cellules
• enfin autre propriété importante des eucaryotes : leur intérieur est beaucoup plus organisé que celui des bactéries, avec des compartiments spécialisés. Par exemple, de nombreux eucaryotes ont de petites centrales, les mitochondries, chargées de fournir de l’énergie aux cellules.

Les liens de parenté entre eucaryotes et procaryotes ne sont pas évidents. Malgré leurs différences, on était à peu près sûr qu’ils dérivent d’un ancêtre commun car les points communs sont trop importants pour être dûs au hasard : le code génétique est partagé, la méthode de production des protéines est la même (transcription de l’ADN en ARN, traduction de l’ARN en protéine par les ribosomes) …
Les premières études bioinformatiques dans les annés 70 ont essayé de classifier leur positions respectives sur l’arbre de la vie. Et là, big surprise : en comparant les séquences d’ARN des ribosomes des différents organismes, on a vu apparaître un troisième groupe. Plus exactement, les procaryotes se sont retrouvés divisés en deux sous-groupes distincts de bactéries : les eubactéries et les archées (voir arbre ci-contre). La séparation remonterait à plusieurs milliards d’années ! Les bactéries sont donc beaucoup plus diverses qu’on ne le croit : entre deux bactéries, il peut y avoir autant de différences qu’entre une bactérie et l’homme…

L’histoire est loin d’être terminée, et le symposium a été un compte-rendu passionnant des rebondissements les plus récents. Thomas Cavalier-Smith est revenu sur cette classification en arbres distincts avec un message très clair : tout cet arbre n’est, en gros, qu’un vaste bulllshit. Il ne croit pas aux classifications généalogiques (on dit phylogénétiques) faites à base d’ARN ribosomal. Car les nouvelles données sur les comparaisons des génomes entiers bouleversent complètement la donne. D’abord, il y a énormément de transferts horizontaux entre bactéries. Kesaco ? Et bien les bactéries n’ont pas de sexe, mais elles sont néanmoins capables de s’échanger des bouts de gènes, même entre espèces éloignées. Lorsqu’on analyse les génomes de souches de bactéries différentes, on s’aperçoit que les bactéries modernes sont en fait de véritables patchworks de gènes, des mélanges complètement brassés. L’image “d’arbre de la vie” ne tient pas pour les bactéries (et a fortiori pour les ancêtres de tous les êtres vivants) : au contraire des animaux, les enfants n’ont pas nécessairement les mêmes gènes que leur mère, vu qu’ils peuvent échanger leurs gènes avec leurs cousins éloignés d’un milliard d’années. L’arbre de la vie ressemble donc beaucoup plus à un “filet” comme on peut le voir sur la figure ci-contre (tirée de wikipedia ).

La situation est encore plus étonnante lorsque l’on compare les eucaryotes aux procaryotes. Car les études génétiques complètes dévoilent que nous sommes de véritables monstres de la nature : environ 70% de nos gènes viennent des eubactéries, alors qu’environ 30% de nos gènes (et en particulier tous les gènes de la transcription, autrement dit les “têtes de lecture” sur l’ADN) viennent des archées. Or rappelons-le, les archées et les eubactéries se sont séparées il y a au bas mot 3 milliards d’années. Une seule explication est possible : les eucaryotes sont des hybrides entre archées et eubactéries. Une sorte de mariage fécond entre la carpe et le lapin, à la puissance 10 au niveau des distances génétiques !

Comment une telle horreur a pu arriver ? Comment deux royaumes animaux ont pu ainsi fusionner pour en engendrer un troisième ? C’était tout l’objet de la conférence d’Eugene Koonin, qui est revenu sur les hypothèses possibles et a une petite idée en tête. Rappelons-le, les eucaryotes contiennent des organites comme les mitochondries. Or il se trouve que les analyses génétiques ont montré que les mitochondries sont en fait … des bactéries vivant dans les cellules de manière symbiotique. D’où l’idée suivante : les ancêtes des eucaryotes ont phagocyté à un moment dans l’évolution des bactéries, pour donner naissance à de nouvelles espèces.

Koonin propose alors une hypothèse assez audacieuse, qui a le mérite d’expliquer comment le noyau cellulaire est apparu. Pour Koonin, l’événement fondateur a été la phagocytose d’eubactéries (future mitochondrie) par une archée. Cette phagocytose a eu un effet ravageur sur la cellule gourmande: en effet, Koonin pense que les gènes des mitochondries ont littéralement “attaqué” l’ADN des cellules hôtes (en produisant des introns). Ces attaques ont été relativement destructrices et ont cassé/réorganisé plusieurs gènes. L’évolution s’est alors mise en route. L’une des façons de se défendre contre ces attaques a été d’évoluer une membrane interne, protégeant l’ADN de la cellule hôte des attaques des gènes des mitochondries. Cette membrane interne, c’est bien sûr le noyau. Koonin a présenté des analyses bioinformatiques à l’appui de ce scénario. En particulier, il a montré que l’ancêtre commun des eucaryotes était très enrichi en introns d’origine bactérienne, ce qui est une prédiction de son scénario. Un modèle très élégant d’évolution (publié dans William Martin and Eugene V. Koonin, Nature 440, 41-45(2 March 2006)) , reposant sur une phagocytose qui a dégénéré en guerre de tranchées entre espèces (”you are what you eat“) aboutissant à l’émergence d’un nouveau règne animal !

La conclusion de cette session est revenue W. Ford Dolittle. Comme vous avez pu le constater si vous avez lu ce long billet bactérien jusque ici, le premier milliard d’années de l’histoire de la vie a vraisemblablement été très mouvementé, avec des transferts de gènes horizontaux, des phagocytoses, des royaumes entiers émergeant de la fusion de deux royaumes plus anciens … Cette histoire continue aujourd’hui : il y a toujours des transferts de gènes horizontaux entre plantes, et dans l’histoire de la vie, des eucaryotes ont phagocyté plus récemmment
d’autres bactéries ou eucaryotes, formant de nouvelles espèces hybrides. Il nous faut donc abandonner un ces concepts majeurs de l’évolution darwinienne : l’arbre de la vie. S’il a été très utile pour structurer la pensée et faire avancer la théorie, s’il est relativement valable pour les animaux, il n’en est rien pour les formes de vie plus primitive qui n’ont cessé d’échanger des gènes. L’une des conséquences est aussi qu’il faut abandonner le concept d’espèce : les choses ne sont pas si tranchées, et il peut être dangereux voire contre-productif de rester attacher à des cadres de pensée trop stricts (voir un billet de Benjamin sur la notion d’espèce chez les bactéries). De plus, Doolittle a parfaitement expliqué comment ces débats scientifiques peuvent être vus comme des failles dans la théorie de l’évolution alors qu’il ne sont que des failles dans nos préconceptions, ce qui est dangereux dans la lutte contre le créationnisme. Mais nous verrons cela dans le prochain épisode de ces compte-rendus !

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Billet publié le Wednesday, May 7th, 2008 à 8:35 am dans les catégories Evolution, Phylogenie. Lien vers le flux de commentaires : RSS 2.0 . Vous pouvez laissez un commentaire, ou faire un rétrolien.