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Les scientifiques ont-ils déjà produit une nouvelle espèce en laboratoire au moyen de la sélection naturelle ?

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Je me demandais si les scientifiques produisaient jamais une espèce plus complexe à partir d'une espèce moins complexe au moyen de la sélection naturelle ? J'imagine quelque chose comme des bactéries qui ne peuvent pas faire de photosynthèse et d'oxygène (chimioautotrophes) à des bactéries qui peuvent faire de la photosynthèse et de l'oxygène comme les cyanobactéries.

Si les scientifiques n'ont jamais fait cela, est-ce théoriquement possible de le faire en laboratoire au moyen de la sélection naturelle ?


Votre question soulève quelques problèmes. Premièrement, l'idée que les espèces évoluent du simple au complexe n'est en fait pas une prédiction ou une conséquence inévitable de l'évolution par sélection naturelle. Les termes « simple » et « complexe » eux-mêmes sont mal définis. Par exemple, si vous définissez "complexe" comme étant la taille du génome, l'organisme le plus complexe trouvé à ce jour est probablement une plante à fleurs du Japon. Cette idée d'organiser les organismes du simple au complexe renvoie à une idée pré-darwinienne de la Grande Chaîne de l'Être.

Vous pensez peut-être que puisque la vie multicellulaire, par exemple, a évolué à partir d'organismes unicellulaires, la vie multicellulaire est plus complexe que la vie unicellulaire. L'erreur est que les organismes unicellulaires modernes ont également évolué à partir du même ancêtre unicellulaire. En aucun sens évolutif, la vie multicellulaire moderne n'est plus évolué que les organismes unicellulaires modernes. Vous pouvez, bien sûr, définir des notions de complexité pour rendre la vie multicellulaire plus complexe que la vie unicellulaire, mais de telles définitions n'ont aucune signification évolutive.

Nous pouvons, bien sûr, dire que les organismes ont évolué à partir d'organismes antérieurs. Donc, le deuxième problème que soulève votre question est que les scientifiques ont vu de grands changements évolutifs dans un laboratoire. L'exemple que vous évoquez est de savoir si nous pourrions observer l'évolution de la photosynthèse dans un laboratoire.

La réponse courte est non. Nous ne nous attendrions pas à ce que des traits qui ont mis des millions d'années à évoluer évoluent dans un laboratoire en moins de temps. Dans le cas de la photosynthèse, nous n'avons peut-être même pas une bonne idée des pressions sélectives impliquées au début de l'évolution des cyanobactéries. De tels traits n'évoluent généralement pas dans leur totalité en une seule étape. Au lieu de cela, il y a de nombreuses étapes en cours de route, chacune pouvant être sélectionnée pour des environnements particuliers pour différentes raisons. Même si nous avions des millions d'années et un très grand laboratoire, nous ne connaissons peut-être pas ces premières pressions sélectives pour recréer avec succès l'évolution d'un trait particulier. (Il y a en fait un peu plus de profondeur ici que je passe sous silence. Étant donné que la variation de la population est différente, la même série de pressions sélectives ne donnera pas nécessairement le même résultat. Lorsque les traits évoluent par une évolution convergente, c'est ce que vous êtes suggérant, ils ont pratiquement toujours des bases génétiques et une biochimie sous-jacente différentes. Mais une digression dans ce domaine est probablement une distraction du point central.)

Ainsi, vous pouvez raisonnablement demander, si nous ne pouvons pas observer directement l'évolution de ces traits majeurs dans un laboratoire, comment savons-nous qu'ils ont évolué ? Il existe plusieurs sources de preuves :

  • Nous pouvons voir des changements plus petits se produire sur des périodes plus courtes, il semble donc probable que le même processus crée des changements plus importants sur des périodes plus longues.
  • Pour de nombreux traits importants, nous voyons des preuves d'ascendance commune et la même biologie sous-jacente est utilisée à des fins différentes.
  • Pour certains traits, nous avons l'histoire évolutive de ce trait et pouvons identifier la séquence d'événements qui a provoqué ce trait (la meilleure preuve vient généralement des traits squelettiques, où il y a préservation).
  • Des histoires évolutives plus spéculatives peuvent encore être examinées grâce à des techniques génétiques telles que les horloges moléculaires, qui peuvent indiquer quand les espèces ont divergé d'un ancêtre commun.

La théorie de la sélection naturelle de Darwin

La théorie de la sélection naturelle de Darwin affirme que la nature sélectionne les organismes qui ont des caractéristiques favorables à leur survie, tout en éliminant les espèces inférieures. La sélection naturelle est une clé de l'origine de nouvelles espèces à partir des espèces existantes. L'article suivant fournit des informations sur cette théorie.

La théorie de la sélection naturelle de Darwin affirme que la nature sélectionne des organismes qui ont des caractéristiques favorables à leur survie, tout en éliminant les espèces inférieures. La sélection naturelle est une clé de l'origine de nouvelles espèces à partir des espèces existantes. L'article suivant fournit des informations sur cette théorie.

La théorie de la sélection naturelle de Darwin est un jalon important dans le processus évolutif et l'origine des espèces. Avant Charles Darwin, de nombreux scientifiques affirmaient qu'une espèce est issue d'une autre espèce ou d'un ancêtre. Cependant, à cette époque, il n'y avait aucune preuve scientifique pour prouver le concept d'évolution. C'est au 19ème siècle que Charles Darwin a avancé la théorie de la sélection naturelle qui est largement acceptée par les scientifiques et le grand public.


2.0 Définitions des espèces

Une discussion sur la spéciation nécessite une définition de ce qui constitue une espèce. C'est un sujet de débat considérable au sein de la communauté biologique. Trois revues récentes du Journal of Phycology donnent une idée de l'ampleur du débat (Castenholz 1992, Manhart et McCourt 1992, Wood et Leatham 1992). Il existe une variété de concepts d'espèces différents actuellement utilisés par les biologistes. Celles-ci incluent des définitions folkloriques, biologiques, morphologiques, génétiques, paléontologiques, évolutives, phylogénétiques et biosystématiques. Dans l'intérêt de la brièveté, je n'aborderai que quatre d'entre eux - folklorique, biologique, morphologique et phylogénétique. Une bonne revue des définitions des espèces est donnée dans Stuessy 1990.

2.1 Le concept populaire d'espèce

Les naturalistes du monde entier ont découvert que les plantes et les animaux individuels qu'ils voient peuvent être mentalement regroupés en un certain nombre de taxons, dans lesquels les individus se ressemblent fondamentalement. Dans les sociétés proches de la nature, chaque taxon se voit attribuer un nom. Ces sortes de taxonomies populaires ont deux caractéristiques en commun. L'un des aspects est l'idée de compatibilité et de continuité de la reproduction au sein d'une espèce. Les chiens engendrent des chiens, ils n'engendrent jamais de chats ! Cela a une base solide dans la connaissance populaire. La deuxième notion est qu'il existe une discontinuité de variation entre les espèces. En d'autres termes, vous pouvez distinguer les espèces en les regardant (Cronquist 1988).

2.2 Le concept d'espèce biologique

Au cours des dernières décennies, la définition théoriquement prééminente des espèces a été le concept d'espèce biologique (BSC ). Ce concept définit une espèce comme une communauté reproductrice.

2.2.1 Historique du concept d'espèce biologique

Le BSC a subi un certain nombre de changements au fil des ans. Le premier précurseur que j'ai pu trouver était dans Du Rietz 1930. Du Rietz a défini une espèce comme

". les plus petites populations naturelles séparées en permanence les unes des autres par une discontinuité distincte dans la série des biotypes."

Quelques années plus tard, Dobzhansky a défini une espèce comme

". ce stade de progrès évolutif auquel l'ensemble de formes autrefois réellement ou potentiellement métissées devient séparé en deux ou plusieurs ensembles séparés qui sont physiologiquement incapables de se reproduire." (Dobjanski 1937)

Il est important de noter qu'il s'agit d'une définition très restrictive des espèces. Il met l'accent sur les approches expérimentales et ignore ce qui se passe dans la nature. Lors de la publication de la troisième édition du livre dans lequel il parut, Dobzhansky (1951) avait assoupli cette définition au point d'être en grande partie d'accord avec celle de Mayr.

La définition d'une espèce acceptée comme BSC a été promulguée par Mayr (1942). Il a défini les espèces comme

« . des groupes de populations naturelles qui se reproduisent réellement ou potentiellement et qui sont isolés sur le plan de la reproduction d'autres groupes de ce type. »

Notez que l'accent dans cette définition est sur ce qui se passe dans la nature. Mayr a par la suite modifié cette définition pour inclure une composante écologique. Dans cette forme de définition, une espèce est

". une communauté reproductive de populations (reproductivement isolée des autres) qui occupe une niche spécifique dans la nature."

Le BSC est le plus fortement accepté parmi les zoologistes et entomologistes vertébrés. Deux faits expliquent cela. Tout d'abord, ce sont les groupes avec lesquels les auteurs du BSC ont travaillé :-). (Remarque : Mayr est ornithologue et Dobzhansky a beaucoup travaillé avec la drosophile). Plus important encore, la sexualité obligatoire est la forme prédominante de reproduction dans ces groupes. Ce n'est pas un hasard si le BSC est moins largement accepté parmi les botanistes. Les plantes terrestres présentent une bien plus grande diversité dans leur « mode de reproduction » que les vertébrés et les insectes.

2.2.2 Critiques du concept d'espèce biologique

La validité théorique et l'utilité pratique du BSC ont fait l'objet de nombreuses critiques. (Cracraft 1989, Donoghue 1985, Levin 1979, Mishler et Donoghue 1985, Sokal et Crovello 1970).

L'application du BSC à un certain nombre de groupes, y compris les plantes terrestres, est problématique en raison de l'hybridation interspécifique entre des espèces clairement délimitées (McCourt et Hoshaw 1990, Mishler 1985).

Il existe une abondance de populations asexuées auxquelles cette définition ne s'applique tout simplement pas (Budd et Mishler 1990). Des exemples de taxons qui sont obligatoirement asexués comprennent les rotifères bdelloïdes, les flagellés euglénoïdes, certains membres des Oocystaceae (algues vertes coccoïdes), les flagellés chloromonades et certaines diatomées pennées araphides. Des formes asexuées d'organismes normalement sexués sont connues. Des populations obligatoirement asexuées de Daphnia se trouvent dans certains lacs arctiques. Le BSD ne peut être d'aucune aide pour délimiter les espèces dans ces groupes. Une situation similaire se retrouve chez les procaryotes. Bien que les gènes puissent être échangés entre les bactéries par un certain nombre de mécanismes, la sexualité, telle que définie chez les eucaryotes, est inconnue chez les procaryotes. Un texte de microbiologie populaire ne mentionne même pas le BSC (Brock et Madigan 1988).

L'applicabilité du BSC est également discutable dans les plantes terrestres qui s'autopollinisent principalement (Cronquist 1988).

Une critique plus sérieuse est que le BSC est inapplicable dans la pratique. Cette accusation affirme que, dans la plupart des cas, le BSC ne peut pas être appliqué en pratique pour délimiter des espèces. Le BSC suggère des expériences de reproduction comme test de l'appartenance à une espèce. Mais c'est un test qui est rarement fait. Le nombre de croisements nécessaires pour délimiter l'appartenance à une espèce peut être astronomique. L'exemple suivant illustrera le problème.

Ici, dans le Wisconsin, nous avons environ 16 000 lacs et étangs. Un habitant commun (et savoureux -)) de bon nombre de ces plans d'eau est le crapet arlequin. Posons une question : toutes ces populations de crapet arlequin constituent-elles une espèce ou plusieurs espèces morphologiquement similaires ? Supposons que seulement 1 000 de ces lacs et étangs contiennent des crapets. En supposant que chaque lac constitue une population, un chercheur devrait effectuer 499 500 croisements distincts pour déterminer si les populations peuvent se croiser. Mais pour faire cela correctement, nous devrions vraiment faire des croisements réciproques (c'est-à-dire croiser un mâle de la population A avec une femelle de la population B et un mâle de la population B avec une femelle de la population A). Cela porte le nombre total de croisements que nous devons faire à 999 000. Mais n'avons-nous pas aussi besoin de faire des répliques ? Le fait d'avoir trois répétitions porte le total à 2 997 000 croisements. De plus, vous ne pouvez tout simplement pas mettre une paire de crapets arlequins dans un seau et vous attendre à ce qu'ils s'accouplent. Dans la nature, les crapets arlequins mâles creusent et défendent les nids dans de grandes colonies d'accouplement. Une fois les nids creusés, les femelles entrent dans la colonie pour frayer. Ici, les femelles choisissent parmi les partenaires potentiels. Cela signifie que nous aurions besoin de simuler une colonie dans notre test. Supposons que 20 poissons suffiraient pour un seul test. Nous constatons qu'il nous faudrait environ 60 000 000 de poissons pour tester si toutes ces populations appartiennent à la même espèce ! (Nous aurions également besoin d'un grand nombre de grands aquariums pour exécuter ces croix). Mais les crapets ne sont pas limités au Wisconsin.

Je pourrais continuer, mais je pense que le point est maintenant évident. Le fait est que le temps, les efforts et l'argent nécessaires pour délimiter les espèces à l'aide du BSC sont pour le moins prohibitifs.

Une autre raison pour laquelle l'utilisation du BSC pour délimiter les espèces n'est pas pratique est que les expériences de reproduction peuvent souvent être peu concluantes. Le métissage dans la nature peut être fortement influencé par des facteurs environnementaux variables et instables. (Tout pêcheur qui a attendu que les crapets s'installent sur les lits peut confirmer celui-ci). Si nous ne pouvons pas reproduire les conditions naturelles de reproduction, un échec de reproduction ne signifie pas que les bestioles ne peuvent pas (ou ne font pas) se croiser dans la nature. Les difficultés rencontrées dans l'élevage de pandas en captivité en témoignent. De plus, montrer expérimentalement que A ne se croise pas avec B n'exclut pas à la fois le croisement avec C. Cela devient encore plus compliqué dans les groupes qui n'ont pas de beaux sexes simples. Un exemple de ceci se produit dans un certain nombre d'espèces de protozoaires. Ces créatures ont de nombreux types d'accouplement. Il peut y avoir une compatibilité très compliquée des types d'accouplement. Enfin, les expériences de sélection peuvent ne pas être concluantes car le croisement réel et le flux de gènes entre des populations locales génétiquement compatibles et phénétiquement similaires sont souvent plus restreints que ne le suggère le BSC (Cronquist 1988).

En pratique, même les fervents partisans du BSC utilisent des similitudes et des discontinuités phénétiques pour délimiter les espèces. Si les organismes sont phénotypiquement similaires, ils sont considérés comme conspécifiques jusqu'à ce qu'une barrière reproductive soit démontrée.

Une autre critique du BSC vient de l'école cladistique de taxonomie (par exemple Donoghue 1985). Les cladistes soutiennent que la compatibilité sexuelle est un trait primitif. Les organismes qui ne sont plus étroitement liés peuvent avoir conservé la capacité de recombinaison génétique entre eux par le sexe. Ce n'est pas une caractéristique dérivée. Pour cette raison, il n'est pas valide pour définir les taxons monophylétiques.

Un dernier problème avec le BSC est que les groupes qui ne se produisent pas ensemble dans le temps ne peuvent pas être évalués. Nous ne pouvons tout simplement pas savoir si deux de ces groupes se croiseraient librement s'ils se réunissaient dans des conditions naturelles. Cela rend impossible de délimiter les frontières des groupes éteints à l'aide du BSC. Une question illustrera le problème. Homo erectus et Homo sapiens représentent-ils la même espèce ou des espèces différentes ? Cette question est insoluble en utilisant la définition biologique.

Plusieurs alternatives au concept d'espèce biologique ont été suggérées. Je vais en discuter deux.

2.3 Le concept d'espèce phénétique (ou morphologique)

Cronquist (1988) a proposé une alternative au BSC qu'il a appelé une "définition pratique renouvelée des espèces". Il définit les espèces comme

". les plus petits groupes qui sont systématiquement et constamment distincts et distinguables par des moyens ordinaires."

Trois commentaires doivent être faits sur cette définition. Premièrement, les « moyens ordinaires » comprennent toutes les techniques qui sont largement disponibles, bon marché et relativement faciles à appliquer. Ces moyens diffèrent selon les différents groupes d'organismes. Par exemple, pour un botaniste travaillant avec des angiospermes, des moyens ordinaires pourraient signifier une lentille à main pour un entomologiste travaillant avec des coléoptères, cela pourrait signifier un microscope à dissection pour un phycologue travaillant avec des diatomées, cela pourrait signifier un microscope électronique à balayage. Les moyens ordinaires sont déterminés par ce qui est nécessaire pour examiner les organismes en question.

Deuxièmement, l'exigence que les espèces soient distinctes de manière persistante implique un certain degré de continuité reproductive. En effet, la discontinuité phénétique entre les groupes ne peut persister en l'absence de barrière au métissage.

Troisièmement, cette définition met fortement, mais pas exclusivement, l'accent sur les caractères morphologiques. Il reconnaît également les caractères phénétiques tels que le nombre de chromosomes, la morphologie des chromosomes, l'ultrastructure cellulaire, les métabolites secondaires, les habitats et d'autres caractéristiques.

2.4 Concepts d'espèces phylogénétiques

Il existe plusieurs définitions d'espèces phylogénétiques. Tous affirment que les classifications devraient refléter les hypothèses les mieux étayées de la phylogénie des organismes. Baum (1992) décrit deux types de concepts d'espèces phylogénétiques.

  1. Une espèce est le plus petit groupe d'organismes qui possède au moins un caractère diagnostique. Ce caractère peut être morphologique, biochimique ou moléculaire et doit être fixé dans des unités cohésives sur le plan de la reproduction. Il est important de réaliser que cette continuité reproductive n'est pas utilisée de la même manière que dans le BSC. Les espèces phylogénétiques peuvent être des communautés reproductrices. Les individus reproducteurs compatibles n'ont pas besoin d'avoir le caractère diagnostique d'une espèce. Dans ce cas, les individus n'ont pas besoin d'être conspécifiques.
  2. Une espèce doit être monophylétique et partager un ou plusieurs caractères dérivés. Il y a deux sens à monophylétique (de Queiroz et Donoghue 1988, Nelson 1989). Le premier définit un groupe monophylétique comme l'ensemble des descendants d'un ancêtre commun et de l'ancêtre. La seconde définit un groupe monophylétique comme un groupe d'organismes qui sont plus étroitement liés les uns aux autres qu'à tout autre organisme. Ces distinctions sont discutées dans Baum 1992 et de Queiroz et Donoghue 1990.

Une hypothèse récemment proposée suggère que les concepts d'espèces phylogénétiques et le concept d'espèce biologique peuvent être hautement, sinon complètement, incompatibles. La « spéciation parallèle » a été définie comme l'évolution indépendante répétée du même mécanisme d'isolement reproductif (Schluter et Nagel 1995). Un exemple de ceci peut se produire lorsqu'une espèce colonise plusieurs nouvelles zones qui sont isolées les unes des autres, mais similaires sur le plan environnemental. Des pressions sélectives similaires dans ces environnements entraînent une évolution parallèle parmi les traits qui confèrent l'isolement reproductif. Il existe des preuves expérimentales que cela pourrait se produire (Kilias, et al. 1980 Dodd 1989). L'implication de ceci est que les espèces biologiques (telles que définies par le BSC) peuvent souvent être polyphylétiques. Si cela se produit dans la nature, cela pourrait nuire à l'utilité des concepts d'espèces phylogénétiques.

2.5 Pourquoi cela est inclus

Qu'est-ce que tout cela fait dans une discussion sur les cas observés de spéciation ? Ce qu'un biologiste considérera comme un événement de spéciation dépend, en partie, de la définition d'espèce acceptée par le biologiste. Le concept d'espèce biologique a connu un grand succès en tant que modèle théorique pour expliquer les différences d'espèces parmi les vertébrés et certains groupes d'arthropodes. Cela peut nous conduire à affirmer avec désinvolture son applicabilité universelle, malgré son inutilité pour de nombreux groupes. Lorsque nous examinons des événements de spéciation putatifs, nous devons nous demander quelle définition d'espèce est la plus raisonnable pour ce groupe d'organismes ? Dans de nombreux cas, ce sera la définition biologique. Dans de nombreux autres cas, une autre définition sera plus appropriée.


Darwin règne toujours, mais certains biologistes rêvent d'un changement de paradigme

Darwin doit-il subir une mise à niveau ? Il y a de plus en plus d'appels parmi certains biologistes évolutionnistes pour une telle révision, bien qu'ils diffèrent sur la forme que cela pourrait prendre. Mais ces appels pourraient également être exagérés. Il n'y a rien que les scientifiques apprécient plus que la perspective d'un bon changement de paradigme.

Les changements de paradigme sont la substance des révolutions scientifiques. Ils changent notre façon de voir le monde, les types de questions que les scientifiques considèrent comme méritant de se poser, et même notre façon de faire de la science. La découverte de l'ADN a marqué un tel changement, la théorie de la tectonique des plaques un autre.

De nombreux scientifiques souffrent d'une sorte de dédoublement de la personnalité. Nous pensons que c'est la période la plus excitante pour travailler tout en aspirant à l'excitation d'une révolution. Quel scientifique ambitieux ne voudrait pas faire partie d'un changement de paradigme ? Sans surprise, cette aspiration se manifeste parfois par des proclamations qu'une révolution est à portée de main.

Pour comprendre le tumulte actuel, il est utile de comprendre comment notre cadre évolutif s'est développé. Il a été construit des années 1930 aux années 1950 par les premiers généticiens, paléontologues et autres, qui n'étaient pas d'accord sur l'efficacité de la sélection naturelle dans la conduite du changement évolutif (la grande idée de Darwin) et sur la nature de la variation génétique sous-jacente sur laquelle la sélection naturelle pourrait agir. Ce sur quoi ils se sont mis d'accord s'appelait la synthèse moderne, et elle a établi un zeitgeist intellectuel qui se poursuit aujourd'hui et a été continuellement adapté, de la meilleure façon évolutive, pour englober de nouvelles découvertes.

Cette synthèse soutient que les mutations de l'ADN créent de nouvelles variantes de gènes existants au sein d'une espèce. La sélection naturelle, motivée par la compétition pour les ressources, permet aux individus les mieux adaptés de produire la progéniture la plus survivante. Ainsi, les variantes adaptatives des gènes deviennent plus courantes. Bien que la sélection soit souvent vue, même par les biologistes qui devraient mieux le savoir, comme essentiellement négative, supprimant des individus mal adaptés, Charles Darwin a compris qu'il s'agissait d'un puissant outil créatif.

C'est l'agent principal dans la formation de nouvelles adaptations. Des études analytiques ont montré comment la sélection peut produire un œil complexe à partir d'un simple ocelle en quelques centaines de milliers d'années seulement.

Au cours des dernières années, chaque élément de ce paradigme a été attaqué. Les préoccupations concernant les sources d'innovation évolutive et les découvertes sur la façon dont l'ADN évolue ont conduit certains à proposer que les mutations, et non la sélection, sont à l'origine d'une grande partie de l'évolution, ou du moins des principaux épisodes d'innovation, comme l'origine des principaux groupes d'animaux, y compris les vertébrés.

Des études comparatives du développement ont mis en lumière la manière dont les gènes fonctionnent et évoluent, ce qui met moins l'accent sur l'accumulation progressive de petits changements génétiques soulignés par la synthèse moderne. Les travaux en écologie ont mis l'accent sur le rôle que jouent les organismes dans la construction de leurs propres environnements, et les études des archives fossiles soulèvent des questions sur le rôle de la compétition. Le dernier défi majeur de la synthèse moderne est survenu dans les années 1970 et 1980 alors que mes collègues paléontologues, dont feu Stephen Jay Gould, plaidaient en faveur d'une vision hiérarchique de l'évolution, avec une sélection se produisant à de nombreux niveaux, y compris entre les espèces.

Les transitions entre les espèces documentées par les archives fossiles semblaient être abruptes, peut-être trop abruptes pour être expliquées par la synthèse moderne. Si cela était généralement vrai, cela pourrait rendre inutile une grande partie de la sélection naturelle au sein des espèces, car tout comme les mutations sont produites de manière aléatoire par rapport aux besoins d'une espèce, la sélection les façonnant en de nouvelles adaptations, de nouvelles espèces pourraient évoluer de manière aléatoire avec la sélection d'espèces. les façonner en tendances évolutives. Ce défi a été accueilli avec des éloges moins que complets par les biologistes de l'évolution qui étudient les changements au sein des espèces. Le brouhaha qui en résulte n'a pas encore complètement disparu. Mais les travaux les plus récents se rapprochent du cœur de la synthèse moderne et sont potentiellement plus révolutionnaires, car ils abordent la question fondamentale de savoir comment les choses vraiment nouvelles se produisent dans l'histoire de la vie. Qu'est-ce qui a provoqué l'origine des animaux, ou l'invasion des terres ?

Le talon d'Achille de la synthèse moderne, comme l'a noté le philosophe Ron Amundson, est qu'elle traite principalement de la transmission des gènes d'une génération à l'autre, mais pas de la façon dont les gènes produisent des corps. Les récentes découvertes dans le nouveau domaine de la biologie du développement évolutif, ou evo-devo, que le gène Pax-6 contrôle la formation des yeux chez les souris et les humains, la formation du cœur Nkx2.5 et une suite d'autres gènes la formation du système nerveux système, a fourni un moyen d'étudier les mécanismes génétiques et développementaux qui influencent la façon dont la forme des organismes a évolué, et pas seulement leurs gènes. Le domaine le plus passionnant de l'évolution est peut-être d'explorer comment le recâblage des circuits des gènes produit différents appendices d'arthropodes, ou taches d'ailes sur les papillons.

Eric H. Davidson, un de mes collègues à CalTech, a disséqué le réseau d'interactions entre les gènes qui construisent l'intestin des oursins et des étoiles de mer au cours du développement. Lorsqu'il compare ces réseaux de gènes, il existe un noyau d'environ cinq gènes dont les interactions sont essentielles à la formation de l'intestin, et qui ont été conservés pendant quelque 500 millions d'années.

L'un des avantages des biologistes du développement par rapport aux paléontologues est qu'ils peuvent expérimenter sur le développement de ces animaux. La plupart des gènes de ce réseau peuvent être supprimés et l'embryon en développement trouve un moyen de compenser. Mais ces cinq gènes de base, qui forment ce que Davidson appelle un noyau, ne peuvent pas être modifiés : changer l'un d'entre eux et aucune forme d'embryon du tout. Il n'y a aucune raison de penser qu'il y avait quelque chose d'inhabituel dans la façon dont ce noyau a évolué pour la première fois il y a environ 500 millions d'années (avant que les oursins et les étoiles de mer ne se divisent en différents groupes), mais une fois que le noyau s'est formé, il a verrouillé le développement sur un certain chemin. Ces événements, petits et grands, limitent l'éventail des possibilités sur lesquelles la sélection naturelle peut agir. Ces questions sur le mécanisme n'étaient même pas posées dans la synthèse moderne.

L'absence de prise en compte de la croissance de la biodiversité reflète un défaut encore plus troublant de la synthèse moderne : elle manque de tout sens réel de l'histoire. Cela peut sembler étrange, car l'évolution concerne l'histoire. Un géologue décrirait la théorie de l'évolution comme uniformitariste : « Le présent est la clé du passé. C'est le principe que nous utilisons qu'en comprenant comment les processus fonctionnent aujourd'hui, nous pouvons comprendre les événements passés. La théorie de l'évolution suppose que les processus que nous pouvons étudier chez les mouches des fruits qui se promènent dans un laboratoire capturent le large éventail de changements évolutifs.

Mais tout comme le pouvoir érosif d'une rivière modifie les options futures pour le cours de la rivière, l'évolution elle-même modifie les possibilités d'évolution futures. Cela peut se produire de manière simple, car les termites construisent leur propre environnement en construisant des termitières. Ces monticules peuvent durer des dizaines ou des centaines d'années et constituent une sorte d'héritage écologique pour des générations de termites.

Les premières cyanobactéries ont transformé le dioxyde de carbone en oxygène et déclenché une révolution qui a complètement changé la chimie des océans et de l'atmosphère. La plupart des espèces modifient leur environnement et cela change souvent la manière dont la sélection les affecte : elles construisent, au moins en partie, leur propre environnement. En tant que biologistes évolutionnistes, nous avons peu de compréhension de ce que ces processus signifient pour l'évolution.

Est-ce que tout cela s'ajoute à une nouvelle synthèse moderne ? Il n'y a certainement pas de consensus parmi les biologistes évolutionnistes, mais le développement, l'écologie, la génétique et la paléontologie offrent tous de nouvelles perspectives sur le fonctionnement de l'évolution et la manière dont nous devrions l'étudier. Aucune de ces préoccupations n'offre une lueur d'espoir aux créationnistes, car les recherches scientifiques offrent déjà de nouvelles perspectives sur ces questions. Les fondations d'un changement de paradigme sont peut-être en place, mais il faudra peut-être un certain temps avant de voir si une perspective vraiment nouvelle se développe ou si ces tensions sont prises en compte dans une synthèse moderne élargie.


Sous l'influence

Certaines variations de toile très distinctives et inhabituelles chez les tisserands d'orbes sont issues de circonstances que la plupart des araignées ne rencontrent généralement pas dans la nature : exposition à des stimulants, des sédatifs et des psychédéliques. Depuis la fin des années 1940, les scientifiques ont manipulé les araignées pour concevoir des toiles qui s'écartaient énormément des schémas habituels en nourrissant les arachnides d'un assortiment de médicaments psychotropes.

Une étude de 1971 publiée dans la revue La science du comportement documenté plus de deux décennies de telles expériences à partir de 1948, lorsque HM Peters, professeur de zoologie à l'Université de Tüumlbingen en Allemagne, a décidé qu'il voulait que ses araignées de laboratoire construisent leurs toiles à un moment qui était plus pratique pour les humains que le l'horaire préféré des araignées avant l'aube.

Peters a donc donné des amphétamines aux araignées, a rapporté l'auteur de l'étude Peter Witt, qui en 1971 était pharmacologue au Département de la santé mentale de la Caroline du Nord à Raleigh. Witt a collaboré avec Peters dans les expériences sur les araignées, et les deux scientifiques ont co-écrit une étude historique de 1949 documentant comment les araignées de Tüumlbingen ont réagi aux amphétamines.

Alors que les stimulants n'affectaient pas l'heure à laquelle les araignées choisissaient de tisser leurs toiles, "les toiles ont été construites d'une manière qui semblait déformée au-delà de la gamme de variations du motif géométrique qui avait été observée jusqu'à ce moment-là", a écrit Witt, ajoutant qu'« il n'a fallu que quelques jours pour prouver que le phénomène était reproductible ».

La découverte de 1948 a alimenté la curiosité de Witt à propos de la filature de la toile d'araignée et de ce qu'elle pourrait dire aux scientifiques sur la façon dont les médicaments modifient le comportement, et il a continué à enquêter sur la façon dont les médicaments affectaient le comportement des araignées et des humains, selon une biographie publiée en 2013 dans le journal. Archives de la santé environnementale). En plus de deux décennies de recherche, Witt et d'autres scientifiques ont découvert que différents médicaments incitaient à différentes techniques de création de sites Web.

Par exemple, la dextroamphétamine, un stimulant utilisé pour traiter la narcolepsie et le TDAH, a entraîné « un rayon et un espacement des spirales irréguliers », selon l'étude de 1971. La scopolamine, un médicament contre le mal des transports, "a provoqué une large déviation de l'espacement des spirales nettement différente de l'amphétamine". En comparaison, les araignées qui ont reçu le diéthylamide d'acide lysergique, une drogue hallucinogène, le LSD, ont produit des « toiles inhabituellement régulières », a rapporté Witt.

Des décennies plus tard, des chercheurs du Marshall Space Flight Center de la NASA à Huntsville, en Alabama, ont revisité ces expériences en dosant des araignées de jardin européennes (Araneus diadematus) avec de la caféine, de la benzédrine, de la marijuana et de l'hydrate de chloral sédatif, selon un rapport de 1995 publié dans la revue Briefs techniques de la NASA. Les photos des toiles résultantes ont révélé que la caféine était le plus grand perturbateur structurel, les rayons et les spirales caractéristiques de la toile ont été remplacés par un méli-mélo apparemment aléatoire de brins, selon l'étude.

Alors que les araignées ne construisent normalement pas de toiles si distinctives (et bancales) sans aide chimique, elles fabriquent une nouvelle toile tous les soirs environ. Cela signifie qu'une araignée peut produire environ 100 à 200 toiles au cours de sa vie, selon l'espèce, il y a donc forcément au moins quelques variations d'une toile à l'autre, même si ce n'est pas aussi extrême qu'une toile par une araignée riche en caféine, a déclaré Zschokke.

"Si vous regardez assez près, chaque toile sera quelque peu différente", a-t-il déclaré.


Caractéristiques notables du génome du SARS-CoV-2

Notre comparaison des alpha- et bêtacoronavirus identifie deux caractéristiques génomiques notables du SARS-CoV-2 : (i) sur la base d'études structurales 7,8,9 et d'expériences biochimiques 1,9,10, le SARS-CoV-2 semble être optimisé pour la liaison au récepteur humain ACE2 et (ii) la protéine de pointe du SRAS-CoV-2 a un site de clivage fonctionnel polybasique (furine) à la frontière S1-S2 par l'insertion de 12 nucléotides 8 , ce qui a en outre conduit à la prédiction acquisition de trois glycanes O-linkés autour du site.

1. Mutations dans le domaine de liaison aux récepteurs du SRAS-CoV-2

The receptor-binding domain (RBD) in the spike protein is the most variable part of the coronavirus genome 1,2 . Six RBD amino acids have been shown to be critical for binding to ACE2 receptors and for determining the host range of SARS-CoV-like viruses 7 . With coordinates based on SARS-CoV, they are Y442, L472, N479, D480, T487 and Y4911, which correspond to L455, F486, Q493, S494, N501 and Y505 in SARS-CoV-2 7 . Five of these six residues differ between SARS-CoV-2 and SARS-CoV (Fig. 1a). On the basis of structural studies 7,8,9 and biochemical experiments 1,9,10 , SARS-CoV-2 seems to have an RBD that binds with high affinity to ACE2 from humans, ferrets, cats and other species with high receptor homology 7 .

une, Mutations in contact residues of the SARS-CoV-2 spike protein. The spike protein of SARS-CoV-2 (red bar at top) was aligned against the most closely related SARS-CoV-like coronaviruses and SARS-CoV itself. Key residues in the spike protein that make contact to the ACE2 receptor are marked with blue boxes in both SARS-CoV-2 and related viruses, including SARS-CoV (Urbani strain). b, Acquisition of polybasic cleavage site and O-linked glycans. Both the polybasic cleavage site and the three adjacent predicted O-linked glycans are unique to SARS-CoV-2 and were not previously seen in lineage B betacoronaviruses. Sequences shown are from NCBI GenBank, accession codes MN908947, MN996532, AY278741, KY417146 and MK211376. The pangolin coronavirus sequences are a consensus generated from SRR10168377 and SRR10168378 (NCBI BioProject PRJNA573298) 29,30 .

While the analyses above suggest that SARS-CoV-2 may bind human ACE2 with high affinity, computational analyses predict that the interaction is not ideal 7 and that the RBD sequence is different from those shown in SARS-CoV to be optimal for receptor binding 7,11 . Thus, the high-affinity binding of the SARS-CoV-2 spike protein to human ACE2 is most likely the result of natural selection on a human or human-like ACE2 that permits another optimal binding solution to arise. This is strong evidence that SARS-CoV-2 is not the product of purposeful manipulation.

2. Polybasic furin cleavage site and O-linked glycans

The second notable feature of SARS-CoV-2 is a polybasic cleavage site (RRAR) at the junction of S1 and S2, the two subunits of the spike 8 (Fig. 1b). This allows effective cleavage by furin and other proteases and has a role in determining viral infectivity and host range 12 . In addition, a leading proline is also inserted at this site in SARS-CoV-2 thus, the inserted sequence is PRRA (Fig. 1b). The turn created by the proline is predicted to result in the addition of O-linked glycans to S673, T678 and S686, which flank the cleavage site and are unique to SARS-CoV-2 (Fig. 1b). Polybasic cleavage sites have not been observed in related ‘lineage B’ betacoronaviruses, although other human betacoronaviruses, including HKU1 (lineage A), have those sites and predicted O-linked glycans 13 . Given the level of genetic variation in the spike, it is likely that SARS-CoV-2-like viruses with partial or full polybasic cleavage sites will be discovered in other species.

The functional consequence of the polybasic cleavage site in SARS-CoV-2 is unknown, and it will be important to determine its impact on transmissibility and pathogenesis in animal models. Experiments with SARS-CoV have shown that insertion of a furin cleavage site at the S1–S2 junction enhances cell–cell fusion without affecting viral entry 14 . In addition, efficient cleavage of the MERS-CoV spike enables MERS-like coronaviruses from bats to infect human cells 15 . In avian influenza viruses, rapid replication and transmission in highly dense chicken populations selects for the acquisition of polybasic cleavage sites in the hemagglutinin (HA) protein 16 , which serves a function similar to that of the coronavirus spike protein. Acquisition of polybasic cleavage sites in HA, by insertion or recombination, converts low-pathogenicity avian influenza viruses into highly pathogenic forms 16 . The acquisition of polybasic cleavage sites by HA has also been observed after repeated passage in cell culture or through animals 17 .

The function of the predicted O-linked glycans is unclear, but they could create a ‘mucin-like domain’ that shields epitopes or key residues on the SARS-CoV-2 spike protein 18 . Several viruses utilize mucin-like domains as glycan shields involved immunoevasion 18 . Although prediction of O-linked glycosylation is robust, experimental studies are needed to determine if these sites are used in SARS-CoV-2.


A Natural Selection

Last week, I discussed how evolutionary biology has changed since 1859, the year Darwin first published “On the Origin of Species.” But the subject of evolution isn’t the only thing that’s changed since then. There’s been plenty of actual evolution, too. For although we tend to think of evolutionary change as being something that only takes place over the course of millions of years, it isn’t. It’s going on here, now, all around us. So, this week, I thought I𠆝 round up some examples of recent evolutionary change in nature. (What do I mean by recent? Within the last 40 years.)

I’m not intending to be comprehensive — that would take a book or two. Instead, I want to sketch a few examples of natural selection that have caught my fancy, and through them consider different aspects of evolutionary change, and what it takes to show it.

Galápagos finches. No discussion of evolution in nature would be complete without mention of the evolution of beak size in finches in the Galápagos archipelago.

Every year since 1973, large numbers of medium ground finches (Géospiza fortis) living on the island of Daphne Major have been marked, weighed and measured, and so have their chicks. In these finches, survival largely depends on the ability to open seeds this depends on beak size. Bigger beaks allow the opening of larger seeds. How many seeds there are depends on the weather some years seeds of all sizes are abundant, and the finches thrive. In other years, most seeds are scarce, and many birds die. Large-scale death affects the genetic make-up of the population, because both beak size and body size has a large genetic component. If all the birds with smaller than average beaks die in a given year, they take their genes with them.

Over the course of 30 years, annual measurement of finches shows that both body size and beak size evolved significantly. But they didn’t do so in a smooth, consistent fashion. Instead, natural selection jittered about, often changing direction from one season to the next.

As the abundance of different seeds fluctuated, so too did the beak sizes. One year, larger beaks were more successful then it was smaller beaks. Over time, the average shape of the beak kept shifting, but it did so in an unpredictable, erratic sort of way, like a drunk man staggering about. Thus, some of the most dramatic changes were later reversed, and if beaks had only been measured at the beginning and at the end of the thirty years, the total amount of evolutionary change would have been underestimated. (Beak size has continued to evolve: the arrival on the island of a competitor for large seeds has subsequently favored small beak sizes in Géospiza fortis. Many individuals with larger beaks starved to death.)

Field mustard. Between 2000 and 2004, southern California had a severe drought. For many plants, including field mustard (a scrawny annual plant with little yellow flowers), a drought means a shorter growing season. A shorter growing season means that plants that flower earlier are more likely to leave seeds than plants that flower later — which are in danger of dying before they’ve finished reproducing. Since flowering time has a large genetic component, a drought — by favoring plants that flower earlier — could cause an evolutionary shift towards early flowering.

Oui. The beauty of plants is that they make seeds — small packets of genes that can be stored for a period. This means that the genes of the past can, in principle, be compared directly with the genes of today. And an experiment in which field mustard plants grown from seeds collected in 1997 and in 2004 were planted together, under controlled conditions, showed clear differences in flowering times: the plants from 2004 flowered significantly earlier.

Moreover, in both years, seeds were collected from two sites, one where the soil is sandy and doesn’t hold water well, and the other where the soil stays wet for longer. As you𠆝 expect, plants from the dry site showed a more dramatic shift than plants from the wet site. In the course of just 7 years, then, natural selection caused the plants to evolve an earlier flowering time.

Croatian lizards. In 1971, five pairs of adult wall lizards (Podarcis sicula) were brought to the tiny Croatian island of Pod Mrლru from the nearby island of Pod Kopište. These five pairs have since given rise to a thriving lizard population — and one that has developed some interesting differences from the lizards that live on Kopište.

Lizards on Mrლru now have larger heads and stronger bites than those living on Kopište, and they eat far more in the way of leaves and other plant material. Whereas the diet of native Kopište lizards is only about 7 percent plant matter, Mrლru lizards are much more prone to a vegetarian habit. In spring, their diet is about 34 percent from plants in summer that almost doubles, to 61 percent.

Plants are hard for animals to digest, and most plant-eaters rely on micro-organisms to help them. They also, typically, have complicated stomachs — think of the fermentation chambers in a cow, or the enlarged crop of that strange leaf-eating bird, the hoatzin. Intriguingly, the Mrლru lizards appear to have evolved something similar. Their stomachs now have cecal valves, which divide the stomach into compartments, allowing for slower digestion and fermentation. Cecal valves are rare among lizards and snakes: fewer than 1 percent of species have them. At the same time, the Mrლru lizards have acquired some novel micro-organisms in their guts (but whether these are helping break down plant fibers, or are some sort of sinister parasite, remains to be seen).

This study is one of the most intriguing I’ve come across. It suggests that arrival in a new environment can result in dramatic changes to an organism within fewer than 40 lifetimes. But so far, the basis of these various changes remains unknown: there’s an outside possibility that they are induced by leaf eating, and are thus due to the environment rather than genetics. (This seems unlikely — even lizards that are just hatched, and haven’t had a chance to do much eating, have the valves. But without doing the genetics, we can’t be sure until that has been looked at, the changes cannot definitely be attributed to natural selection.) For now, natural selection for efficient plant-eating is the main suspect for this whole suite of changes, but the case is not yet closed.

Other examples. I don’t have space to go into other examples in detail, but to give a sense of what else is out there, here’s a partial list.

La mouche des fruits Drosophile subobscura has been evolving bigger wings in higher latitudes in North and South America mosquitoes that live in pitcher plants hunker down for the winter later in the year than they used to in a forest in southern England, great tits have been shrinking (great tits are songbirds).

Double the time frame to the past 80 years, and I𠆝 have to add many more of these, my favorite is the decline in head size of Australian frog-eating snakes in response to the arrival of poisonous toads in 1935 (a smaller head makes it harder to eat a deadly toad). And I haven’t even begun to mention the countless examples of pests that have evolved resistance to pesticides and bacteria that have evolved resistance to antibiotics, nor the thousands of laboratory experiments showing evolution in the simple environments of test tubes and petri dishes. Also omitted: several examples of new species that are in the process of forming (I want to look at these in a future column).

In short, evolution never takes a vacation: it’s going on all the time.

Yet we tend not to notice it. Pourquoi? The finches can help us here. That study tells us two things. First, from one year to the next, even the most dramatic changes are, to our eyes, small — which is to say, you have to measure them to detect them. The reason is that although birds differ from one another in their abilities to handle the various seeds, the differences are subtle. It’s not as if one bird has a beak 100 times mightier than another’s. When you add to this the tendency of natural selection to jerk around, it’s no surprise that we often don’t notice evolution as it happens. It also sheds light on why changes in the fossil record often appear to be slow: these studies show that change can be continual without really getting far from the starting point. Second, getting data as good as that is hard work. Most datasets are not so complete or robust.

At least one other lesson can be drawn from all these studies. Natural selection has its most dramatic effects when an organism’s environment is perturbed in some sustained way — prolonged droughts, the arrival of species that compete for food, warmer winters, the use of pesticides. If we humans continue to increase our impact on the globe, we’re likely to see lots more evolution. And soon.

For beak size in Galápagos finches, see Grant, P. R. and Grant, B. R. 2002. “Unpredictable evolution in a 30-year study of Darwin’s finches.” Science 296: 707-711 and Grant, P. R. and Grant, B. R. 2006. 𠇎volution of character displacement in Darwin’s finches.” Science 313: 224-226. For evolution of flowering time in field mustard, and for its genetic basis, see Franks, S. J., Sim, S. and Weis, A. E. 2007. “Rapid evolution of flowering time by an annual plant in response to a climate fluctuation.” Proceedings of the National Academy of Sciences USA 104: 1278-1282. For the evolution of cecal valves in Croatian lizards, see Herrel, A. et al 2008. “Rapid large-scale evolutionary divergence in morphology and performance associated with exploitation of a different dietary resource.” Proceedings of the National Academy of Sciences USA 105: 4792-4795.

For wing size in fruit flies, see Huey, R. B. et al 2000. “Rapid evolution of a geographic cline in size in an introduced fly.” Science 287: 308-309 and Gilchrist, G. W. et al 2004. 𠇊 time series of evolution in action: a latitudinal cline in wing size in South American Drosophila subobscura.” Evolution 58: 768-780. For hunkering down time in mosquitoes, see Bradshaw, W. E. and Holzapfel, C. M. 2001. “Genetic shift in photoperiodic response correlated with global warming.” Proceedings of the National Academy of Sciences USA 98: 14509-14511. For body size in great tits, see Garant, D. et al 2005. 𠇎volution driven by differential dispersal within a wild bird population.” Nature 433: 60-65. For head size in Australian snakes, see Phillips, B. L. and Shine, R. 2004. �pting to an invasive species: toxic cane toads induce morphological change in Australian snakes.” Proceedings of the National Academy of Sciences USA 101: 17150-17155.

Many thanks to Dan Haydon, Gideon Lichfield and Jonathan Swire for insights, comments and suggestions.


How are GMOs made?

“GMO” (genetically modified organism) has become the common term consumers and popular media use to describe foods that have been created through genetic engineering. Genetic engineering is a process that involves:

  • Identifying the genetic information—or “gene”—that gives an organism (plant, animal, or microorganism) a desired trait
  • Copying that information from the organism that has the trait
  • Inserting that information into the DNA of another organism
  • Then growing the new organism

Sélection naturelle

In contrast, mammals whose diets generally lack fruit or nectar, such as cows, horses and elephants, are poor alcohol metabolisers because these animals lost their functioning version of ADH7.

Previous studies have suggested that poor processors of alcohol, such as elephants, would never be able to consume enough fermented fruit to get drunk. But this study suggests it may be possible, says Nathaniel Dominy at Dartmouth College in New Hampshire. “The persistent myth of drunken elephants remains an open and tantalising question, and a priority for future research.”

Journal reference: Lettres de biologie, DOI: doi/10.1098/rsbl.2020.0070


Évolution

Starting from his observations on overproduction and variation, Darwin noted that the physical traits of a species or population could change over time. He didn't know that traits were carried in DNA, but he did observe that organisms passed on traits to their offspring, and he knew that organisms were exposed to environmental change. And he discovered that environmental change could drive changes in a population of organisms by weeding out traits that are unsuited for the environment and selecting for traits that prove advantageous, eventually altering some populations so they become new species.

Although Darwin did not come up with the idea of evolution, he was the first to explain how overproduction and variation were factors in natural selection that drove populations of species to change over time.



Commentaires:

  1. Alcinous

    Absolument avec vous, il est d'accord. J'aime cette idée, je suis complètement d'accord avec toi.

  2. Micage

    Désolé, pas dans une section .....

  3. Clevon

    C'est juste génial :)

  4. Verbrugge

    Le choix pour vous n'est pas facile

  5. Fegis

    C'est intéressant. Donner où puis-je trouver plus d'informations sur ce sujet?



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