Prédire l’évolution darwinienne?

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Prediction
Comprendre c’est bien, quantifier c’est mieux. Mais finalement, le but de la Science n’est-il pas in fine de prédire les phénomènes? Qu’en est-il pour la théorie de notre Charles Darwin? Est-il possible de prédire l’évolution future d’une espèce? La réponse est oui! Et nous allons voir que la biologie évolutive a elle aussi son E = mc².



Traditionnellement, l’Évolution est une Science que l’on divise en deux catégories: La macroévolution (qui se passe à l’échelle des temps géologiques), et la microévolution (qui se passe à l’échelle des générations). Nous allons ici laisser la macroévolution de côté, et nous intéresser exclusivement à la microévolution.

La microévolution c’est quoi?

Si l’on devait donner une définition très large de l’évolution, ça ressemblerait à peu prés à ça:

Transmission d’information dans le temps

Pour subsister dans le temps, la vie a trouvé un moyen imparable, beaucoup moins coûteux que l’immortalité: la reproduction. Pour qu’il y ait évolution, il faut une transmission d’information entre générations. Il faut donc un support qui va subsister entre deux générations. Vous l’aurez compris, l’ADN est le parfait support. Cette grosse molécule possède la fabuleuse propriété de pouvoir se dupliquer avec un taux d’erreur relativement faible.

Nous avons notre support de l’information, il nous manque maintenant l’information en tant que telle. Dit autrement, il nous faut la règle de tri qui nous dit comment se transmet l’information entre les générations. Si le tri est aléatoire, aucune information n’est transmise d’une génération à l’autre. Non, vous le savez, le tri n’est pas aléatoire. Ce tri s’opère sur la base de la lutte pour la survie. Dit autrement, seules les molécules d’ADN qui auront tout mis en œuvre pour se transmettre auront le privilège d’effectivement se transmettre. C’est ce que l’on appelle la sélection naturelle.

Tout ça c’est très bien, mais c’est quoi le lien avec la prédiction de l’évolution?

Résumons, l’évolution c’est une information qui se transmet dans le temps, et qui a besoin:

– D’un support: Les gènes.

– D’une règle de tri: La sélection naturelle.

Imaginons maintenant un cas ou l’on voudrait prédire l’évolution de la taille des ailes chez le faucon? Que devons-nous savoir?


Premièrement, est-ce-que cette information (taille des ailes) se transmet entre générations? Dit autrement, dans un langage plus moderne: Y-a-t’il une base génétique à la taille des ailes chez le faucon? Disons que oui. Ne nous arrêtons pas là, et essayons de quantifier cette d’information. Et ça tombe bien, l’une des plus vieille discipline de la biologie évolutive s’appelle la génétique quantitative!

Les courbes représentent la distribution de 2 traits dans la
nature.La courbe verte a une plus grande variance que la rouge
 (plus d’étalement sur l’axe des x). Soumis à la même force
de sélection naturelle, le trait vert évoluera plus vite que le rouge.
 


Quantifier l’information génétique d’un trait dans la nature cela revient à calculer ce que l’on appelle la variance génétique

Je ne rentrerais pas dans les détail mathématiques, mais pour dire les choses le plus clairement possible, la variance génétique c’est une mesure de “a quel point mon trait varie dans la nature, et à quel point cette variation et due à ses gènes“.


La sélection naturelle n’est rien d’autre que la pente entre la
fitness et le trait. Ici, la sélection est positive: Plus on a
de grande ailes, plus notre fitness est grande. Les faucons
aux grandes ailes devraient augmenter en fréquence dans la population.


Nous avons quantifier le support de l’information, il ne reste plus qu’à quantifier le tri, c’est à dire la sélection naturelle. Oui oui, vous avez bien lu, on peut tout à fait quantifier la force de la sélection naturelle qui agit sur un trait. 

Et pour ce faire, la démarche consiste en gros à calculer la relation qui existe entre le trait (ici la taille des ailes des faucons) et la fitness. La fitness, c’est en quelque sorte une mesure de la survie combinée à une mesure du succès reproducteur d’un individu. Dit autrement, la fitness c’est une mesure de “a quel point je suis vraiment plus fort (en reproduction, en survie, etc …) que mes congénères“.

Revenons à notre sélection, on disait donc que ça revenait à calculer la relation entre la fitness et le trait. La fitness varie entre les individus, c’est donc ce que l’on appelle une variable. Le trait varie lui aussi entre les individus (tous les individus n’ont pas la même taille d’aile), c’est donc aussi une variable. Nous cherchons donc à quantifier le lien entre deux variables, ce que l’on appelle aussi une covariance. Ne rentrons pas dans les détails, et gardons simplement l’idée que quantifier la sélection naturelle qui agit sur un trait c’est calculer sa covariance avec la fitness.

Trève de blabla, nous avons maintenant les deux paramètres importants pour prédire l’évolution: La variance génétique (a quel point mon trait est déterminé par les gènes) et la sélection naturelle (a quel point mon trait apporte un avantage reproducteur). Il ne reste plus qu’à les multiplier! Et voici ce que l’on pourrait appeler le E = mc² de la biologie évolutive, aussi appelée l’équation des reproducteurs (breeder’s equation en anglais):


Mon dieu une équation! Pas de panique, inutile d’en comprendre parfaitement les termes, il suffit de comprendre que cette simple équation permet ni plus ni moins de prédire l’évolution d’un trait dans la nature. Dans le cas de notre exemple avec les ailes du faucon, le résultat de cette équation nous indiquera de combien de centimètres la taille des ailes des faucons va évoluer dans l’avenir entre 2 générations!



Pour ceux qui se demandent pourquoi cette équation s’appelle “l’équation des reproducteurs”, pas besoin de chercher bien loin, ça vient tout droit de nos amis les éleveurs. Car avant d’intéresser les biologistes, les éleveurs se demandaient depuis déjà bien longtemps, comment prédire les croisements entre leurs bêtes. En clair, si je croise une vache qui donne beaucoup de lait avec un taureau dont la mère donne peu de lait, quel en sera le résultat? Les éleveurs pratiquent la sélection artificielle depuis très longtemps (un des deux termes de l’équation). Ils ne leur restent plus qu’à savoir comment ça se passe au niveau génétique (le second terme de l’équation) et le tour est joué pour connaitre le résultat de leurs croisements.




Aujourd’hui, cette équation est utilisée par les écologistes évolutifs qui essaient de prédire l’évolution des populations sauvages faces à des perturbations, le changement climatique en tête. La COP21 est passée, et certains n’hésitent pas à parler de 6ème extinction pour qualifier notre ère. Mais la question demeure: L’évolution pourra t’elle sauver les espèces?


La température augmente sur toute la surface du globe. Cette forte pression de sélection pourrait-elle permettre aux espèces d’évoluer? La réponse a cette question est complexe! Notamment parce que le réchauffement climatique n’est pas forcément une force de sélection naturelle. Nous verrons ça au prochain billet!


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La consanguinité augmente-t-elle la fertilité?

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Une récente vidéo de l’excellente équipe de «Dirty Biology» revient sur une étude de 2008 arrivant à la conclusion curieuse voulant que les unions entre cousins du troisième et quatrième degrés, seraient davantage fertiles que les unions entre individus moins apparentés. Les auteurs de cette étude, concluent que plus grande fertilité des cousins au troisième […]

La consanguinité augmente-t-elle la fertilité?

Commençons par cette sympathique vidéo de l’excellente équipe de «Dirty Biology».


Dans cette vidéo Léo Grasset empale d’emblée un préjugé encore fortement ancré, à savoir celui voulant que la consanguinité serait forcément négative, ce qui n’est en effet de loin pas toujours le cas. Mieux comme l’avait rappelé le généticien André Langaney, la consanguinité peut même s’avérer bénéfique à partir du moment où la population consanguine a purgé les allèles délétères qui auraient été susceptibles de poser problème en cas d’homozygotie. La consanguinité n’est donc pas forcément négative. Et heureusement! Car comme le rappelle là encore André Langaney nos ancêtres ont dû sacrément cousiner et cela sur de nombreuses générations faute de mobilité et d’effectifs suffisants. Pour autant la consanguinité n’est pas sans risque. La mauvaise réputation de celle-ci a également des bases on ne peut pas plus substantielles. Car si des allèles délétères se baladent au sein d’une famille, ce qui est souvent le cas, alors gare à la consanguinité qui a tendance à favoriser l’homozygotie pour certains de ces allèles. Cependant cela n’est généralement vrai qu’en cas de forte consanguinité, si la diversité génétique au sein d’une population donnée est suffisamment importante, le cousinage au troisième et quatrième degré semble souvent pouvoir se faire sans que cela ne débouche sur des problèmes de santé. Mais cela la vidéo de «Dirty Biology» l’explique déjà très bien.

Cependant il y a un point majeur de la dite vidéo qui m’a laissé pour le moins circonspect. Il s’agit d’une étude publiée dans la revue «Science» soutenant une hypothèse voulant que la consanguinité favoriserait la fertilité. [1] L’étude en question porte sur des banques de données de diverses familles islandaises allant du début du 19ème siècle au milieu du 20ème siècle. L’analyse de ces données montre trois choses, (1) les unions entre cousins au premier degré débouche sur une fertilité moindre, probablement dû selon les auteurs à la dépression de consanguinité. (2) Les unions entre cousins du troisième et quatrième degré débouche en revanche sur la fertilité la plus élevée observée, avec non seulement davantage d’enfants mais également à terme de petits enfants. (3) Les unions entre parents plus éloignés que le troisième et quatrième degré, déboucherait en revanche de nouveau à une fertilité moindre, pire les unions de personnes généalogiquement éloignés déboucheraient même à un nombre de petits enfants inférieur à celui des unions entre cousins au premier degré.

Problème…

L’étude ne s’arrête pas aux constats mentionnés ci-dessus, elle spécule sur leurs causes. D’une part elle attribue à la moindre fertilité des cousinages au premier degré à la dépression endogamique. D’autre part elle attribue la moindre fertilité des unions les moins étroitement apparenté à ce que nous pourrions réellement appeler une dépression hybride! Ainsi les auteurs de cette publication affirment que les unions au troisième ou quatrième degré de cousinage seraient les plus optimales en terme de fertilité (et donc évolutivement parlant), dès que le cousinage est moindre une dépression hybride commencerait à affecter la fertilité des partenaire génétiquement plus distants l’un de l’autre, conclusion que reprend l’équipe de «Dirty Biology» dans sa vidéo.

Axe des abscisses pour les quatre graphes: degré de consanguinité. Axes ordonnées, pour le graphe A: Nombre d’enfants, pour le graphe B: Nombre d’enfants ses reproduisant, Pour le graphe C : Nombre de petits enfants Graphe C: Espérance de vie moyenne des petits enfants. Rappel il s’agit de données concernant la population islandaise de 1800 à 1965. [1]

Or cette conclusion pose problème pour deux raisons majeures. La première est bien évidemment l’absence de données biologiques concrètes attestant du phénomène de dépression hybrides pour les données analysés. Par exemple et de façon inverse, l’existence de dépression endogamique est appuyée par l’espérance de vie moindre des enfants issus de cousins au premier degré, il n’y a en revanche pas de variation significative de l’espérance de vie des enfants issus d’unions au degrés de cousinage plus éloignés. Certes on peut rétorquer qu’une dépression hybride peut affecter uniquement la fertilité des «hybrides» sans affecter la santé de ces derniers. Cependant cette hypothèse même si hypothétiquement possible, n’est donc ici appuyé par aucune donnée véritablement concluante.

La deuxième critique est l’absence de toute analyse socio-culturelle approfondie. Car après tout n’est-il pas possible que la plus grandes fertilité des unions consanguines s’expliquent par des facteurs purement socioculturels. En gros il s’agirait simplement du fait que les individus les plus religieux et conservateurs tendent à la fois à se marier davantage entre cousins et à avoir davantage d’enfants. À l’inverse les personnalités les plus individualistes tendent à se marier en dehors de leur communauté et à former des familles moins nombreuses. Conscients de cette possible objection les auteurs de cette étude affirment que la baisse constante et graduelle de la fertilité à partir du quatrième degré de cousinage jusqu’au septième, n’est pas entièrement compatible avec les possibles facteurs culturels susmentionnés. Car après tout, et comme le mentionnent les auteurs de l’étude, pourquoi une baisse sensible de fertilité du sixième au septième degré de cousinage? On a en effet du mal à croire que cette baisse puisse témoigner de différence culturelles notables entre les couples dont les partenaires sont cousins aux sixième degré par-apport aux couples dont les partenaires sont cousins au septième degré. Certes cette objection est valide et montre que l’hypothèse de facteurs culturels n’est pas avérée… Cependant elle n’est pas non-plus réfutée! Ni moins ni davantage que l’hypothèse biologique des auteurs de cette étude. Car sans analyse détaillés de variables culturelles, corrélées à la consanguinité, aux liens sociaux, etc, etc… au sein de la société islandaise durant cette tranche de son histoire, on ne peut pas exclure péremptoirement que cette baisse de fertilité, même celle allant du sixième au septième degré de cousinage, a des bases socioculturelles et non pas biologiques. Bien évidemment l’inverse est également vrai, on ne peut non plus pas exclure péremptoirement des facteurs biologiques à cette disparité. Dès lors même si l’échantillonnage de cette étude est vaste on ne peut guère affirmer avoir ici une démonstration concluante de l’apparition d’une dépression hybride au-delà du quatrième degré de cousinage. Par ailleurs notons que le degré de cousinage ne suffit pas à déterminer la proximité génétique de deux individus. Ainsi une population demeurant réduite pendant de nombreuses générations, verra ses membres êtres très semblables génétiquement. Tellement semblables que deux cousins très éloignés de cette population pourraient s’avérer génétiquement bien plus semblables que le sont deux cousins au premier degré d’une populations se caractérisant par une plus grande diversité génétique. Or les populations plus diverses génétiquement sont-elles moins fertiles en raison de cette plus grande diversité? Je ne connais aucune étude à ce sujet, mais on devine en quoi cela peut compliquer le tableau entourant l’hypothèse faite par les auteurs de l’étude précédemment mentionnée.

Conclusion

La question du cousinage et de la consanguinité est plus complexe qu’elle n’y parait de prime abord. L’équipe de «Dirty Biology» souligne à juste titre le fait que la consanguinité est souvent injustement diabolisée alors qu’elle est plus commune qu’on le pense et pas forcément négative pour la santé. Cependant l’hypothèse tirée de l’étude de la revue «Science», hypothèse voulant qu’une dépression hybride pointerait le bout de son nez au delà du quatrième degré de cousinage, demeure très incertaine considérant l’absence de données véritablement concluante en sa faveur et l’absence d’analyse sociologique approfondie qui permettraient éventuellement de déterminer diverses variables confondantes derrière les chiffres analysés. En fait à ce stade cette hypothèse doit donc être prise avec la plus grande prudence. De toute manière qu’on se rassure ne pas se reproduire avec ses cousins n’empêche pas d’avoir une descendance nombreuse. Pensons à Gengis Khan ainsi qu’à ses frères et fils, ils n’ont pas qu’ensemencé de proches cousines à eux, bien au contraire! Et pourtant leur descendance est remarquablement nombreuse. Bon ok c’est aussi et surtout parce qu’ils ont ensemencé comme peu d’hommes ont eu l’occasion de le faire dans l’histoire. Oui avec l’exemple de Gengis Khan je triche un peu car cela me permet de partager cette autre et excellente vidéo  de «Dirty Biology», vidéo consacrée, entre autre, à la descendance de ce célèbre conquérant.

  Référence:

[1] Agnar Helgason et al (2008), An Association Between the Kinship and Fertility of Human Couples, Science
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Du Hip-Hop et de la Science!


(DIGITAURA/FLICKR/CC)

Quand on pense au Hip-Hop, on s’imagine être entouré de grosses cylindrées et d’une demi-douzaine de strip-teaseuses, mais surement pas de livres de ScienceEt pourtant … Bien au delà des 50 cents et autres Snoop Dogg (lion …),  il existe un rappeur qui s’est dit que ça serait une bonne chose que d’utiliser le Hip-Hop pour propager la culture scientifique!


Darwin on the MIC

Big ups to Darwin!
Baba Brinkman est un rappeur un peu différent des autres. Quand d’autres préfèrent parler de leur amour des femmes, lui se lance dans un savant mélange de Hip-Hop et de Darwinisme. Tout commence en 2008, lorsque Baba rencontre le Dr Mark Pallen lors de sa tournée au Royaume-Uni. Mark est à ce moment là en train de préparer son Rough Guide To Evolution, et, en amoureux inconditionnel de Hip-Hop, demande à Baba s’il pourrait accompagner son guide de l’évolution avec un peu de musique qui vient de la rue. Baba, passionné de Science se dit pourquoi pas!

De cette collaboration improbable né le Rap Guide To Evolution , qui devient le premier album de Hip-Hop “peer-reviewed” (les paroles ont été soumises à la critique de Mark Pallen et de  plusieurs biologistes).

Cet album, c’est un peu comme si Jay-z voulait te faire le cours de biologie évolutive en live 

Baba le dit lui-même dans Hypnotize, il a passé son temps à écouter Kanye West, Nas et Jay-z en lisant Richard Dawkins (“Cause I’ve been listenin’ to Kanye, Nas and Jay while reading Richard Dawkins“).
Et tout  y passe, l’ADN, la sélection artificielle, mais aussi notre origine africaine commune ou encore la psychologie évolutive. Et c’est bon, même très bon! Mention spéciale pour l’hilarante Creationist Cousins (n’oubliez pas les sous-titres):


Creationist Cousins – Baba Brinkman


Baba a toujours été passionné par la Science et surtout la théorie de l’évolution. Il voit notamment une analogie entre la sélection naturelle et la compétition entre les rappeurs pour atteindre la consécration et passer à la radio. Selon lui, le concept de sélection naturelle peut être résumé par cette citation de Pras des Fugees sur l’album The Score: “Too many MCs, not enough mics“. Remplacez MCs par individus et mics par ressources et Darwin est là! Pour Baba, si les individus ne sont jugés que sur leur aptitude à se reproduire et survivre, les rappeurs ne le sont que sur leur succès.

Darwin se met à la musique…

Évolution darwinienne de la musique de la génération N à N +1.
 
(Crédit: Robert M. MacCallum, Matthias Mauch, Austin Burt, Armand M. Leroi / PNAS)
Si la sélection naturelle fait rage parmi les artistes, d’autres scientifiques se sont dit que l’évolution de la musique devait elle aussi suivre les mêmes règles! Dans un article publié dans PNAS en 2012, MacCallum et ses collègues se sont demandé si la musique pouvait être issue d’une simple sélection darwinienne (culturelle) exercée par l’Homme sur le son. Pour y répondre, ils ont construit un programme informatique qui génère aléatoirement une population darwinienne de boucles audio de 8 secondes se reproduisant par deux à chaque génération. Leur particularité? Les internautes étaient invités à dire ce qu’ils pensaient des boucles à chaque génération (de “insupportable” à “j’adore”). Les boucles conservées à la génération suivante étaient issues de la “reproduction” de deux boucles ayant eut les meilleures notes. Dans cette expérience, les gènes étaient représentés par les caractéristiques des boucles: le rythme, les instruments utilisés, les notes, etc …

Au final, au bout de 2513 générations et l’oreille cobaye de 6931 internautes, le programme évolua de simples boucles audio aléatoires vers de la musique! Même plus, la musique finale était dominée par les instruments à cordes et avait une rythmique comparable à ce qui se fait actuellement. Notez bien que les chercheurs ont réussi l’exploit de parvenir à une forme de musique (avec ses codes) sans qu’aucun but artistique ne guide leur création, seulement la sélection darwinienne! Fort de leur succès, MacCallum et ses collègues ont relancé l’expérience sur leur site web Darwin Tunes The survival Of The Funkiest. N’hésitez pas à aller écouter l’évolution de la musique (de 0 à 8700 générations) sur Sound Cloud. C’est pas tous les jours que l’on peut écouter de la Science!

Revenons à notre rappeur darwinien

Baba, qui vient de publier un article dans la revue scientifique Evolution (Darwin on The MIC), ne s’est pas arrêté à l’évolution. En effet, on peut trouver dans sa discographie, un rap guide to medecine , un autre sur le business ou encore un sur les religions. Exaspéré par les pseudo-sciences en vogue aux USA, Baba produit même en 2010 son Rationalist Anthem (Hymne au rationalisme), inspiré d’une chanson de Jay-Z dans l’album The Blueprint3.

Bref, Baba c’est l’alliance aussi improbable que géniale de la musique de la rue avec la Science. Baba, c’est l’occasion de faire dire à TupacOnly Darwin can judge me“!


Natural Selection – Baba Brinkman

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