Petite Histoire de la Biologie: Partie 3

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NaturalSelection - point 6

Alors voilà, vous voici dans la 3eme et dernière partie de notre “petite histoire de la biologie”. Si vous avez loupé les 2 premières étapes, je vous encourage à aller lire la biologie d’Aristote à Lamarck et l’évolution au temps de Darwin et du Beagle

Nous voici donc rentré au XXe siècle, Le barbu le plus célèbre de la biologie nous a quitté 20 ans plus tôt (1882), laissant une flopée de fils spirituels! Parlons en de ces fils spirituels, qui sont-ils? On t-ils coupé le cordon ombilical Darwinien ou au contraire marché dans ses pas? Bref, c’est quoi l’évolution au XXe siècle?

Posons directement les pieds dans le plat: La théorie de l’évolution étudiée dans les laboratoires n’est pas la théorie énoncée par l’ami Charles! La théorie de l’évolution actuelle n’a même plus grand chose à voir avec celle de son illustre prophète! La réponse à cela tient en un mot: Génétique! Et oui, le XXe siècle a été marqué certes par 2 guerres mondiales, le premier pas sur la Lune et la réalisation de l’Empire contre attaque, mais aussi par l’explosion de la génétique. Après que Mendel (1822-1884) découvre les lois de l’hérédité à la fin du XIXe siècle, certains des plus brillants cerveaux se mirent en tête de formaliser tout ça avec la sélection naturelle dans un langage un peu plus mathématique. C’est ce qu’on appellera alors la génétique des populations, dont les précurseurs sont Fisher (1890-1962), Haldane (1892-1964) et Wright (1889-1988). Dans le même temps, d’autres prirent les microscopes et allèrent voir plus en détail le “truc” qui se transmet d’un individu à sa descendance. Le gène fut découvert, et avec lui l’ADN et sa structure célèbre en double hélices.

Bref, l’ajout des mathématiques de la génétique des populations et de la génétique mendélienne à la théorie Darwinienne permit l’émergence de ce qui est aujourd’hui appelé la théorie synthétique de l’évolution. Résumer ici en détail ce qu’est la théorie synthétique serait un travail monstrueux, que je ne peux raisonnablement pas assumer … ouais, trop dur! Surtout que beaucoup l’ont fait avant moi, et que de nombreux livres existent (Voir les références tout en bas).  Pour ceux qui veulent néanmoins en connaitre les bases, la page Wikipédia est une bonne mise en jambe! A défaut de raconter cette grande entreprise qu’est la théorie synthétique, j’ai choisi plutôt ici d’en énumérer les controverses. Et oui, car comme toute théorie scientifique, la théorie synthétique de l’évolution a subit, et subit de nombreuses controverses, faisant couler beaucoup d’encre. J’ajoute que cette liste est purement subjective … alors n’hésitez pas à faire marcher vos claviers dans les commentaires si des idées vous viennent!

1) L’évolution des espèces c’est lent … très lent! Et bien pas forcément!

Caricature de 1832, de Albert Way

Darwin lui même le pensait: « We see nothing of these slow changes in progress, until the hand of time has marked the long lapse of ages » (1859, p. 84). Comme Darwin, beaucoup de scientifiques pensaient que bon, l’évolution des espèces c’est sympa, mais inutile de se casser la tête pour la “voir” tellement les échelles de temps sont énormes. 

Et bien on sait maintenant que c’est faux. On a assisté à des cas d’évolution d’espèces extrêmement rapides … de l’ordre de quelque dizaines d’années! 

Pour ceux que ça intéressent, on peut se référer au cas célèbre du lézard des ruines sur une île en Méditerranée, aux saumons de l’Atlantique, ou encore au moustique londonien.


2) L’évolution des espèces c’est continue et graduel, jamais abrupte. Allez dire ça à Eldredge & Gould …

En effet, Darwin et ses prédécesseurs ont toujours pensé que l’évolution des espèces dans le temps suit une ligne continue. Dit autrement, l’évolution morphologique d’un organisme par exemple se fait toujours à la même vitesse… de façon graduelle. Soit, alors on devrait tout naturellement retrouver dans les couches géologiques de belles successions de fossiles, décrivant un changement linéaire dans le temps de leur forme morphologique. Or, après avoir passer beaucoup trop de temps à observer les fossiles, pour N. Eldredge et S. J. Gould  (1941-2002) le gradualisme ne s’observe absolument pas! Au contraire, ils relèvent plutôt une succession de changements abrupts et de stases des formes au cours des temps géologiques. Ils publient leurs idées en 1977 dans un article de la revue Paleobiology sous la forme d’une théorie des changements évolutifs dans le temps: La théorie des équilibres ponctués, qui fera couler beaucoup d’encre …!

L’évolution graduelle à gauche VS les équilibres ponctués à droite
3) La sélection naturelle c’est le moteur de l’évolution! Et bien … pas pour Kimura et Hubble!


En effet, après Darwin, la sélection était considérée comme étant le seul moteur de l’évolution des espèces et donc de la diversité des formes rencontrées dans la Nature (“Struggle for life“!).

Deux monsieurs n’ont pas du tout été d’accord avec ça: D’abord Kimura (1924-1994), pour qui la majorité de la diversité génétique (et donc des phénotypes qui en découlent) est façonnée par la dérive génétique, bref le hasard … suivit par Hubble, pour qui la diversité des espèces rencontrées n’est pas majoritairement due à la sélection, mais encore une fois à la dérive génétique. 

Ces deux courants de pensées biologiques / philosophiques que sont l’adaptationnisme et le neutralismesont encore le fruit de nombreux débats dans les labos!

Pour le dire autrement, les adaptationnistes ne voient que des adaptations pour tous les traits chez les organismes, alors que les neutralistes y voient aussi la marque du hasard.


4) La sélection c’est la survie du plus apte, mais du coup, les stratégies de vie les plus égoïstes seront théoriquement les plus favorisées … alors, comment expliquer l’altruisme (On parle bien ici de l’altruisme désintéressé)? Hamilton… Es-tu là?

Et oui, n’importe qui peut constater que dans le monde animal l’altruisme existe! Des individus s’entraident, sans rien demander en retour, et l’égoïsme n’est pas toujours la meilleure décision! Mais alors? Comment expliquer cet apparent paradoxe avec le concept ultra égoïste de la sélection naturelle? La réponse se trouve dans le concept de l’altruisme de parentèle! Pour faire disparaître le paradoxe, il faut baisser d’un cran la cible de la sélection naturelle, passer de l’individu au gène. En faisant ce pas conceptuel, Hamilton (1936-2000) a pu faire émerger sa théorie de l’altruisme de parentèle, permettant d’expliquer l’altruisme comme un produit de la sélection, non plus sur les individus, mais sur les gènes … pour peu qu’il soit dirigé vers un individu de la même famille.

Petite plus: C’est le bon moment pour dire deux mot sur une autre controverse de la théorie de l’évolution: Richard Dawkins et son gène égoïste. Autrement dit, si la sélection agit sur les gènes … les individus ne seraient alors que des avatars génétiques? Des sortes de machines ne servant qu’à la reproduction des gènes? Pour paraphraser Dawkins: La poule n’est-elle pas que le moyen que l’œuf a trouvé pour se reproduire?

5) Enfin, une chose est sûre c’est que les gènes s’est super important est c’est au final la seule chose qui importe dans l’évolution! Ben euh … pas forcément.

En effet, pour qu’il y est de l’évolution il faut que de l’information soit transmise entre les parents et les enfants, ce qu’on appelle l’hérédité. Les gènes ont été / et sont considérés comme le seul support de l’hérédité. Certes, mais pourtant la langue que l’on parle par exemple n’est pas dérivée d’un gène hérité par nos parents non? Et pourtant, on parle dans la très grande majorité des cas la langue de nos parents … il y a donc bien une transmission d’information entre les parents et l’enfant! Ce constat est évident, nous ne transmettons pas que nos gènes à nos enfants, mais aussi un énorme bagage éducatif / culturel / comportemental /etc … Cette forme d’hérédité est appelée l’hérédité non-génétique. Beaucoup d’évolutionnistes ne s’en préoccupent pas, mais cela fait une dizaine d’années que plusieurs évolutionnistes en appellent à reformuler la théorie synthétique de l’évolution en une théorie étendue de l’évolution afin d’inclure dans la théorie ces autres formes d’hérédité (pensons aussi à l’hérédité épigénétique ou écologique)! Le débat fait rage dans la littérature! Ce sujet est tellement vaste et passionnant, qu’il sera peut être le sujet d’un futur article sur ce blog!



6) Tiens d’ailleurs, parlons un peu de l’Homme, on est d’accord que l’évolution s’est quasiment arrêtée chez nous… non? Mais non! Et par quel phénomène nous ne serions plus sujet à l’évolution?

Bon déjà, commençons par dire que notre histoire évolutive est façonnée par la sélection naturelle. La sélection naturelle par le passé a posé sa marque sur notre corps, qui est un livre ouvert permettant de décrypter nos adaptations, pour qui sait les lire. Certes … mais maintenant, avec les progrès de la médecine et l’aide aux handicapé, etc … la sélection naturelle a disparu non? Et bien non! C’est oublier que la sélection naturelle agit certes au travers de la survie, mais aussi au travers du succès reproducteur (bref, le nombre de chti n’enfants que l’on va engendrer, élever et à leur tour ils vont donner d’autres chti n’enfants!). Or, nous ne faisons pas tous le même nombre d’enfants, car nous sommes différents! Ceci est exactement la sélection naturelle. Cette notion peut être difficile à appréhender pour qui n’est pas familier avec le concept de sélection mais pour faire simple, tout n’est qu’une histoire de fréquence! Si les individus qui ont un grand nez font en moyenne 0.5% d’enfants en plus, même si ce chiffre est extrêmement faible, au fur et à mesure les individus avec un grand nez augmenteront en fréquence dans la population, c’est ça la sélection. L’étude de la sélection naturelle à notre époque reste néanmoins un sujet très controversé…. conduisant bien souvent à des débats simplistes du type Nature / Culture (sortant du cadre scientifique) … Hein, ça vous rappelle rien?

Peut être les futurs gagnants d’un célèbre trophée

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Bref, depuis Darwin ça a bougé et ça bouge beaucoup!! Rien n’est figé dans le marbre! 

Les débats font rage dans la littérature spécialisée, mais aussi dans le grand public. Si je devais résumer les points mentionnés plus haut je dirais que les controverses de la théorie de l’évolution touchent:

- La vitesse de l’Evolution

- L’accélération (ou pas) de l’Evolution (Gradualisme VS Equilibre Ponctué)

- Le moteur de l’Evolution (Dérive génétique ou Sélection?)

- Les modes d’action de l’Evolution (Egoïste ou Altruiste?)

- Le matériel de l’Evolution (les gènes? la culture? etc …)

- L’Evolution et l’Homme

Allé, petit parallèle épistémologique pour finir cet article. Lakatos (1922-1974) parlait de programme de recherche pour parler de théorie. A la question de savoir comment comparer les programmes de recherche entre eux (Laquel choisir entre 2 théories!), Lakatos répondait en parlant de potentialité. Popper utilise une belle analogie: Imaginons un programme de recherche comme étant un jardin. Dans ce jardin il y a plusieurs nichoirs. Chaque nichoir représente un problème, une potentialité pour les oiseaux. L’idée importante ici est que ces potentialités existent peu importe qu’on les exploite ou non (peu importe combien d’oiseaux arrivent dans le jardin, il y aura toujours autant de nichoirs).
Lakatos nous dit qu’un programme de recherche sera préférable à un autre si son nombre de potentialités est plus important (en clair, beaucoup de nichoirs). Dit autrement, plus une théorie permettra de créer d’autres disciplines, de se poser toujours plus de questions, de créer des controverses, plus elle devra être préférée. On a reproché à Lakatos que son approche était trop historiciste, c’est-à-dire que son critère de potentialité ne peut être observé que seulement après coup. Il est impossible de connaitre les potentialités d’une théorie dans le temps présent …

Malgré tout, la théorie de l’évolution formulée par Charles Darwin a bien été la source de nombreuses controverses, sous-disciplines et autres questionnements. Lakatos ne se trompe pas sur ce point: Les potentialités de la théorie de l’évolution sont une partie de l’explication de se son indétrônable succès. Nul doute que la théorie de l’évolution darwinienne a représenté un formidable jardin, rempli d’une grande quantité de nichoirs, occupés par de nombreux oiseaux … et qui continueront encore et encore de se poser des questions! Bref, merci Charles c’est un chouette jardin que nous a laissé ; )

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Quelques références:

Sur la théorie synthétique de l’évolution, allez-y les yeux fermés!
- La théorie de l’évolution: Une logique pour la biologie. De Patrice David & Sarah Samadi. 
- Les mondes darwiniens. L’évolution de l’évolution. Sous la direction de Thomas Heams, Phlippe Huneman, Guillaume Lecointre et Marc Silberstein. Préface de Jean Gayon.
- La Structure de la théorie de l’évolution. De Stephen Jay Gould.
- Biologie évolutive. Sous la direction de Frédéric Thomas, Thierry Lefevre et Michel Raymond.

Sur le concept de gène égoïste:
- Le gène égoïste. De Richard Dawkins.
- Les avatars du gène. De Pierre-Henri Gouyon, Jacques Arnould et Jean-Pierre Henry

Sur l’hérédité non-génétique:
Bonduriansky, R., & Day, T. (2008). “Nongenetic inheritance and its evolutionary implications”Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics40(1), 103. (en anglais). Lien ICI.
Danchin, É., Charmantier, A., Champagne, F. A., Mesoudi, A., Pujol, B., & Blanchet, S. (2011). “Beyond DNA: integrating inclusive inheritance into an extended theory of evolution”Nature Reviews Genetics12(7), 475-486. (en anglais). Lien ICI.

Sur une théorie étendu de l’évolution:
Pigliucci, M. (2009). “An extended synthesis for evolutionary biology”Annals of the New York Academy of Sciences1168(1), 218-228. (en anglais). Lien ICI.
Sur la théorie neutre:
- Un excellent article de vulgarisation sur la théorie neutre: ICI.

Sur la sélection naturelle chez l’Homme:
- Cro-Magnon toi-même. De Michel Raymond.
Pourquoi je n’ai pas inventé la roue : Et autres surprises de la sélection naturelle. De Michel Raymond.
Pelletier, F. and E. Milot (2013). “Human Evolution: New Playgrounds for Natural Selection.” Current Biology 23: 446-448. (en anglais). Lien ICI.
- Un pti podcast de Léo sur la sélection naturelle chez l’Homme en lien avec des bourrelets :). ICI.
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Quand ils ont trop froid, les flamants roses meurent… de faim

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1985. L’hécatombe. Dans un des plus beaux endroits de France, la Camargue indomptable, se déroule une tragédie sans précédents. Le froid extrême touche de plein fouet les populations sauvages, venant à bout même des animaux capables de migrer. Subissant deux semaines consécutives de températures négatives allant jusque -10°C, la population de flamants roses, la seule à se reproduire en France, subit alors de pertes considérables : près de 3000 cadavres sont recensés.
Photo d’archive de 1985 qui montre la tristesse de la rigueur de l’hiver, avec nombre de cadavres de flamants gisant sur une Camargue en proie au gel (Source)
2012. Nouvelle vague de froid alors même que le destin m’a conduit en Camargue pour étudier les flamants roses. Quelques jours après mon arrivée, c’est avec ironie que j’ai l’occasion de les observer de beaucoup plus près, et en beaucoup moins vivants… Le climat a encore frappé : on compte 1500 morts parmi les rangs des 20 000 individus hivernant en France. A la Tour du Valat, centre de recherche qui étudie les flamants de longue date, les macchabées roses s’entassent. Les gens nous ramènent les animaux qu’ils trouvent, ou nous appellent pour qu’on vienne les chercher. Malgré la tristesse de la situation, l’esprit scientifique grattouille sous le crâne : on a envie de comprendre.
Avec des collègues du centre et en collaboration avec d’autres personnes de Montpellier, on se lance alors dans une investigation. Objectif : déterminer la cause de la mortalité des flamants. Car si le froid mordant est un candidat évident, son impact peut être moins direct qu’il n’y parait.
Les corps s’entassent, on les stocke sous de gros bacs qui jouent le rôle de congélateurs “grâce” aux températures extérieures négatives. Ne pas se fier au soleil !
Avec la quantité de cadavres à disposition, on recrute une armada de volontaires (un grand merci au passage !) qui nous aide à mesurer chaque individu. Quelques candidats seront étudiés de plus près : on les mesure sous toutes les coutures, du bec jusqu’au bout des pattes. On leur arrache des plumes pour les compter et les mesurer. On utilise des appareils pour évaluer la couleur de leur peau et de leur plumage, on les pèse… Des centaines de données qui vont pouvoir être utilisées pour modéliser les dépenses énergétiques des flamants, grâce à un modèle développé par nos autres collaborateurs américains. Ce modèle astucieux fabrique un individu fictif numérique à partir des données moyennes qu’on lui donne (morphologie, physiologie, comportement, et tout un tas de paramètres). Puis on renseigne au modèle le climat subit par les animaux (température, vent, humidité, etc.) et on obtient les dépenses minimales nécessaires aux bestioles pour conserver leur homéothermie, autrement dit pour garder le sang chaud. Très rapidement on observe ce que l’on soupçonnait : les vagues de froid augmentent drastiquement les dépenses énergétiques de nos flamants. Se maintenir au chaud lorsqu’il fait froid, même si on est bien pourvus en plumes, ça coûte de l’énergie !
Un spectrophotomètre est utilisé pour mesurer la lumière renvoyée par les plumes et la peau des jeunes et des adultes. Autrement dit, on mesure leur couleur, qui joue un rôle dans la thermorégulation en modulant la quantité de rayons du soleil qui sont renvoyés.

Se pourrait-il que les flamants soient morts de faim, après avoir épuisé toute leur énergie ? Pour en avoir le cœur net, je monte dans un train direction Strasbourg, avec une valise pleine de flamants morts et l’espoir qu’ils ne décongèlent pas trop vite (pour ceux qui se posent la question, l’odeur du flamant décongelé est absolument abjecte !). Là-bas, avec d’autres collègues du CNRS, les flamants sont découpés avec la précision d’une boucherie fine, les morceaux sont pesés, et ils sont ensuite réduits en poudre. Littéralement. La technique peut paraitre un tantinet barbare mais elle permet de procéder à des dosages précis de la composition biochimique des animaux. En l’occurrence, le ratio lipides/protéines permet de donner une idée sur l’état des réserves de l’animal. Plus ce ratio est élevé, plus la bestiole se porte bien. En revanche, lorsqu’un individu n’a plus accès à la nourriture, il puise dans ses réserves en consommant d’abord ses lipides, ce qui fait diminuer ce ratio. 
Après investigation, mes flamants voyageurs présentaient un ratio proche de celui observé chez d’autres oiseaux dans une phase de jeûne avancée. Autrement dit, ils avaient faim, très faim ! Toutes les données se recoupent alors. Les carcasses étaient exceptionnellement légères, et les dosages suggèrent que toutes les ressources étaient épuisées, en parallèle du modèle qui nous dit que les flamants ont fait face à une demande sévèrement accrue en énergie. Alors pourquoi n’ont-ils pas simplement mangé plus s’ils avaient tant besoin d’énergie ? C’est la dernière clé de l’énigme. 
Les artémies, minis crustacés aquatiques, constituent un des mets favoris des flamants. Ils passent des heures le bec plongé dans l’eau à filtrer ces créatures à la manière d’une baleine et de ses fanons.
En France, comme pour beaucoup d’autres pays nordiques, des oiseaux de toutes trempes migrent à l’approche de l’hiver. Contrairement aux idées reçues, ce mouvement qui se fait généralement vers le sud n’est pas une réponse à l’incapacité des oiseaux à faire face à des températures plus faibles. D’ailleurs, notre modèle montre que les températures hivernales, même en période de vague de froid, induisent des dépenses énergétiques qui sont certes importantes mais qui restent plus faibles que celles requises par la reproduction. Ce qui fait partir les oiseaux, généralement, c’est la nourriture qui se fait rare. Insectes et petites bêtes en tous genres, y compris les minuscules crustacés aquatiques dont se nourrissent les flamants… la nature se dépeuple quand vient la fin de l’année. Les flamants roses sont d’ailleurs des migrateurs partiels : une partie de la population s’en va vers l’Afrique, terre d’abondance, une fois la période de reproduction terminée. Beaucoup restent en France cependant, et notamment les plus jeunes pour qui la probabilité de survie est plus importante s’ils restent sur place. Les ressources sont certes plus restreintes, mais généralement suffisantes pour eux, et constituent un obstacle bien moins insurmontable que de traverser des milliers de kilomètres avec tous les dangers que cela implique. Mais en période de vague de froid, on change la donne : la plupart des plans d’eau où se nourrissent les flamants sont alors congelés ! La nourriture n’était donc tout simplement pas accessible pour les animaux, qui avaient d’ores et déjà épuisé trop de réserves pour entreprendre avec succès une migration. C’est ainsi que se résout le mystère : les flamants roses, en pleine vague de froid, sont en fait morts de faim.
http://jeb.biologists.org/content/217/20/3700Bibliographie 
(et avec grande fierté, mon premier article tout fraichement publié !) : Deville, A.-S., Labaude, S., Robin, J.-P., Béchet, A., Gauthier-Clerc, M., Porter, W., Fitzpatrick, M., Mathewson, P. & Grémillet, D. 2014. Impacts of extreme climatic events on the energetics of lonf-lived vertebrates: the case of the greater flamingo facing cold spells in the Camargue. The Journal of Experimental Biology, 214, 3700-3707. + le petit bonus du journal
Sophie Labaude
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Couper la branche…

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Pelican
…sur laquelle on est assis ! Ou sur laquelle sont assis les pélicans. On était contents de nos Pélicans Blancs (Pelecanus onocrotalus) à l’entrée de l’Ecole Belge de Kigali, on en parlait sur un blog ou l’autre, on en prenait de belles photos que voici : Depuis que les nids d’un arbre de l’autre côté […] Cet article Couper la branche… est apparu en premier sur De la science sauvage pour des cerveaux en ébullition. Continue reading

Le cortex percé à jour

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Cerebellar Lobe, Greg Dunn « Si nos cerveaux étaient suffisamment simples pour être compréhensibles, nous ne serions pas suffisamment intelligents pour les comprendre », nous avoue le génial écrivain et neuroscientifique David Eagleman dans Incognito. Malgré ce paradoxe, des chercheurs s’acharnent et tentent d’en savoir plus sur cet élément […]

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‘Genetic Me’ primé au festival de films Pariscience

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Pariscience, festival international du film scientifique, a fêté sa première décennie il y a quelques jours. Amis parisiens, vous avez peut-être eu l’occasion de voir l’un des nombreux films scientifiques diffusés gratuitement au Muséum National d’Histoire Naturelle – petits chanceux ! Si le cru 2014 était à la hauteur de mes …
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Dialogues #OGM : Christian Fankhauser, Professeur en génétique moléculaire des plantes

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« Arabidopsis thaliana » by Original uploader was Brona at en.wikipedia. User:Roepers at nl.wikipedia – Transferred from en.wikipedia; Transfer was stated to be made by User:Million_Moments.. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons. (Ce dialogue s’inscrit dans une série, voir introduction … Continue reading

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Dialogues #OGM : Ian Sanders, Professeur en écologie et évolution des symbiontes

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(Ce dialogue s’inscrit dans une série, voir introduction dans ce billet.) Marc Robinson-Rechavi (MRR): Salut, et merci d’avoir accepté ce dialogue. Et d’autant plus merci de conduire le dialogue en français, qui n’est pas ta langue maternelle. Est-ce que tu … Continue reading

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Méta-évolution : L’évolution peut-elle créer de l’intelligent design ?

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Sur ce blog, on n’hésite pas à faire dans le titre racoleur. Ah vous aviez déjà remarqué. Bon bon bon. La question est pourtant valable : l’évolution peut-elle spontanément créer un organisme capable de quitter l’évolution “à la Darwin” ? Autrement dit, pourrait-il exister un organisme capable de diriger/plannifier sa propre évolution, ou encore, capable de diriger celle d’autres organismes, sans passer par les forces évolutives telles que la sélection naturelle ? Résumons le cahier des charges. Il s’agirait d’un organisme capable de :
1- prendre conscience de ses caractéristiques, de son phénotype (“tiens, je suis bleu”).
2- imaginer ce que serait le meilleur phénotype dans un environnement donné, avec pas trop d’erreur (“mais en vrai, ce serait mieux que je sois jaune pour me cacher dans la savane”)
3- modifier son phénotype tout seul comme un grand, et faire en sorte que cette modification se transmette à ses petits. Bien sûr il faut que ces trois capacités apparaissent spontanément au cours de l’évolution, et soient maintenues par la suite. Hors de question d’invoquer l’intervention d’un barbu flottant dans le cosmos, c’est triché ;-)
Pas de Spaghetti Volant ni de Jésus-Raptor non plus. Désolé.
En fait, “peut-on faire un organisme qui quitte la sélection naturelle pour se modifier tout seul” ressemble à une question qu’on a plus l’habitude de croiser dans l’étude de l’intelligence artificielle : peut-on créer un logiciel capable de se programmer tout seul ? En d’autre terme, cela corresponds à un logiciel capable d’améliorer son propre code, de pister ses propres bugs et potentiellement de mettre au chômage de plein de programmeurs à court terme. L’analogie avec l’informatique est pas mal, parce que l’évolution est basiquement un algorithme. Au départ simple, celui-ci s’est complexifié au cours de ses 3.8 milliards d’années d’existence. Le début de l’histoire de l’algorithme évolutif commence avec une cellule unique*, LUCA. Grand-grand-grand…-grand papy LUCA découvre comment se diviser, première fonctionnalité du logiciel “La vie.”. En vrac, d’autres innovations hackant l’algorithme de l’évolution apparaissent comme le sexe, les transferts horizontaux, l’hérédité non génétique, etc. Mais jusqu’à maintenant l’algorithme général, même si il s’est complexifié, ne propose pas vraiment d’intelligent design. L’évolution reste le processus de création de nombreux organismes tous un peu différents les uns des autres, qui sont triés par ce que l’on appelle la sélection : certains survivent et se reproduisent beaucoup, d’autres meurent célibataires. Tout ça, ce sont les règles de départ. Voyons si l’on peut hacker une fois de plus le système et aboutir à une “autre évolution” non darwinienne, ce qui revient à modifier les règles en utilisant… les règles.
Je vois deux façons d’y parvenir, si vous avez vos propres idées n’hésitez pas à les mettre en commentaires !

Proposition 1 – Une hérédité alternative plus rapide.

La transmission d’ADN des parents aux enfants ou d’une bactérie à une autre est un système d’hérédité. Lors de la reproduction d’une algue, toute l’information décrivant la future tronche du bébé algue (“trop mimignon, des flagelles à crooooquer”) est écrite sur un ruban long de plusieurs kilomètres de long, l’ADN, qui sera transmis à l’enfant. Pour faire un parallèle avec une course de relai, c’est comme si le premier coureur donnait un journal enroulé au suivant, le journal décrivant de façon complète la tête du second coureur.
La version Molotov a grand même plus de classe
On pourrait pourtant imaginer que les parents soient moins radins, et qu’ils transmettent plusieurs journaux à la fois. En d’autre termes, on peut imaginer qu’il existe plusieurs supports de l’information décrivant le futur individu, plusieurs supports de l’hérédité. Ce qui est chouette, c’est qu’il n’y a pas besoin de l’imaginer : ça existe déja. Certains organismes transmettent à leurs enfants de l’ADN, mais aussi des modifications épigénétiques, des ressources particulières et… de la culture, que ces organismes vont eux-même transmettre à leurs propres enfants, et ainsi de suite : l’évolution peut se dérouler sur plusieurs supports à la fois. L’avantage ? Ça va plus vite ! Prenez les humains par exemple. Depuis qu’il existe, notre support alternatif d’hérédité “la culture” a évolué beaucoup plus vite que le support d’hérédité “ADN”, menant à l’apparition d’une foultitude de langues, de systèmes d’éthiques, de technologies. Rien que ces 100 dernières années, un nombre hallucinant de technologies ont été développé. Dans la même période de temps, le support de l’hérédité nommé “ADN” n’a pas développé une telle variation.
Vous voyez où je veux en venir : par l’apparition d’un support d’hérédité alternatif, la culture, l’homme a développé une technologie qui pourrait bien un jour lui permettre de s’amuser à faire de l’intelligent design : à planifier le destin évolutif de son espèce ou celui d’autres espèces. En fait on a déjà un peu commencé : la sélection artificielle et les OGMs nous permettent d’obtenir certains traits particuliers chez des espèces d’intérêt. Mais la première réside sur l’existence d’une variation pré-existante, générée par “le vieil” algorithme évolutif, et la seconde technique est loin d’être au point pour l’ambition démesurée que nous avons. Divers futuristes promettent dès aujourd’hui un futur dans lequel la biologie synthétique permettra de créer des organismes de types bactéries, de toutes pièces. Il faudrait étendre ce concept à l’espèce humaine pour valider la proposition de départ : l’homme fabrique les mutations dont il a besoin, les insère dans ses nouveaux-nés (ou dans ses anciens-nés avec un peu de thérapie génique), et de fait, contrôlerait son évolution “à la main”. Ici c’est l’emballement de la culture technologique chez l’homme qui pourrait permettre à cet intelligent design d’exister, soit l’emballement d’un système alternatif d’hérédité. Mais ne pourrait-on pas se débrouiller avec de l’ADN, tout simplement ?
Avoir une bactérie qui dirigerait elle-même son évolution, est-ce possible ?

Proposition 2 – Des bactéries calculant leur futur.

Dans des conditions de stress, certaines espèces de bactéries sont capables d’accélérer le rythme des mutations à des endroits bien spécifiques de leur ADN. Ce faisant, elles augmentent la probabilité que l’une des mutations colle bien à la situation stressante, et fasse émerger une adaptation à l’échelle de la population. Cette tactique, observée aussi chez les tumeurs cancéreuses, chez certaines plantes et plusieurs animaux, est une capacité acquise au cours de l’évolution face à des environnements stressants. Le problème, c’est la relative inefficacité de ce processus : pour une mutation qui va taper juste, des milliers de mutations vont causer des erreurs souvent fatales à leurs porteurs. Ce qu’il manque à la bactérie, c’est la capacité de prédire quelle serait la “bonne” mutation (et faire ainsi de l’auto-intelligent design). Vous vous souvenez de la métaphore informatique ? Si la bactérie était capable de calculer des scénarios possibles correspondant à une situation donnée, et de choisir la meilleure solution parmi toutes les possibilités, elle pourrait effectivement prédire le “meilleur” phénotype adapté à la situation.
Et diriger ses mutations aux bonnes parties de l’ADN, changeant ainsi son phénotype pour le diriger vers “l’optimum” du paysage adaptatif.
En une génération.
Sans sélection naturelle. Donc il nous faut un ordinateur biologique qui puisse faire des calculs, des prédictions, un peu comme celui dont parle Greg Bear dans L’échelle de Darwin. Idéalement ce serait bien qu’il existe une forme de mémoire dans laquelle cet ordinateur puisse puiser pour établir ses scénarios (des priors). Le disque dur. Impossible ? Et pourtant, l’ADN n’est rien d’autre qu’une forme de stockage d’information particulièrement compacte, et des chercheurs du European Bioinformatics Institute de Cambridge ont réussi l’année dernière à encoder dans de l’ADN, entre autres, l’ensemble des 154 sonnets de Shakespeare, une publication scientifique au format PDF et le speech de Martin Luther King : “I have a dream”. Bon, pour le stockage, c’est faisable, on imagine tout à fait que l’ADN puisse stocker des informations utiles aux prédictions.
Maintenant nous voudrions un calculateur, une unité capable de répondre à des questions sous la forme de “OUI / NON”. C’est chouette, ça existe aussi : l’équivalent biologique du transistor électronique s’appelle le transcriptor, et il a été développé l’année dernière par une équipe de Stanford. Le transcriptor, uniquement constitué de molécules tout à fait classiques au sein de la cellule ( intégrases ) est un pas important vers l’objectif ultime qui est de créer des ordinateurs biologiques, en général connus sous le nom d’ordinateurs à ADN. ** Il est donc théoriquement possible d’avoir une bactérie stockant des informations sur l’état de son environnement, son état interne, et capable de produire des calculs pour connaître la solution phénotypique optimale correspondant à la situation. Par le jeu de mutations dirigées qui existe déjà, notre bactérie serait ensuite théoriquement capable de s’auto-modifier, et d’échapper à la sélection naturelle.
Wow. Ce genre de questions en soulèvent plein d’autres : une bactérie capable d’auto-modification serait-elle vraiment plus efficace que ses congénères subordonnés à la sélection naturelle ? L’évolution peut-elle elle même méta-évoluer, la sélection naturelle étant au final une phase comme une autre dans une longue liste de processus évolutifs ? Que se passera-t-il si les bactéries avec des transcriptors du futur seront lachées dans la nature ? Il faudra plus qu’un billet de blog pour répondre à tout ça, mais c’est un domaine remplit de questions fascinantes. N’hésitez pas à faire part de vos idées dans les commentaires ! —- *En fait, l’histoire ne commence peut-être pas avec une cellule unique. Ce modèle est de plus en plus débattu, et c’est une bonne chose. Après tout, rien n’empêche de penser que plusieurs lignées du vivant aient développé indépendamment le support de l’information génétique qu’est l’ADN. ** Au passage, les passionnés de biologie synthétique comme Drew Endy sont convaincus que des versions exploitables du transcriptor seront utilisables dans quelques décennies pour faire de vrais calculs en parallèle avec des cellules vivantes, ou pour tout un tas d’autres utilisations dont on n’a même pas encore idée aujourd’hui. Un article va suivre pour en parler, parce que c’est fascinant. The future is now, comme on dit. Continue reading

Dialogues #OGM : Christian Hardtke, Professeur en développement des plantes

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« Brachypodium distachyon Bd21-3 » by Neil Harris, University of Alberta – Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons. (Ce dialogue s’inscrit dans une série, voir introduction dans ce billet.) Marc Robinson-Rechavi (MRR): Salut et merci d’avoir accepté ce … Continue reading

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