Les poussées soudaines qui forgent les arbres évolutifs

Un modèle évolutif mis à jour montre que les systèmes vivants évoluent selon une dynamique de division et d’accélération, où de nouvelles lignées apparaissent par à-coups soudains plutôt que lors d’un long marathon de changements progressifs.

Au cours du dernier demi-milliard d'années, les calmars, les pieuvres et leurs congénères ont évolué comme un feu d'artifice, avec de longues pauses d'anticipation entrecoupées de changements intenses et explosifs. La diversité multi-bras des céphalopodes est le résultat d'un processus évolutif qui a suivi la division des lignées en nouvelles espèces, et leur évolution n'a guère résulté d'une lente accumulation de changements progressifs.

Ils ne sont pas seuls. Des accélérations soudaines surgissent des branches des arbres évolutifs, à de nombreuses échelles du vivant – apparemment partout où existe un système ramifié de modifications héréditaires – dans une dynamique non étudiée dans les modèles évolutionnaires traditionnels.

C'est la perspective qui émerge d'un nouveau cadre mathématique. Publié dans les Actes de la Royal Society B, ce modèle décrit le rythme de l'évolution. Ce nouveau modèle, qui s'inscrit dans une réflexion sur le rythme de l'évolution menée depuis près de cinquante ans, s'appuie sur le concept d'équilibre ponctué, introduit par les paléontologues Niles Eldredge et Stephen Jay Gould en 1972.

" Les espèces resteraient immobiles dans les archives fossiles pendant des millions d'années, puis tout d'un coup — bang ! — elles se transformeraient en quelque chose d'autre ", a expliqué Mark Pagel., biologiste évolutionniste à l'Université de Reading au Royaume-Uni.

L'équilibre ponctué était initialement une proposition controversée. Cette théorie s'écartait de la vision dominante, vieille d'un siècle, selon laquelle l'évolution suivait un rythme lent et régulier, typique du gradualisme darwinien, où les espèces se développaient progressivement et presque imperceptiblement en de nouvelles. Elle ouvrait la possibilité déroutante d'une discontinuité entre les processus de sélection à l'origine des changements microévolutifs au sein d'une population et ceux qui sont à l'origine des changements à long terme et à grande échelle qui se produisent au-delà du niveau spécifique, appelés macroévolution.

Au cours des décennies qui ont suivi, les chercheurs ont continué à débattre de ces points de vue à mesure qu'ils ont rassemblé davantage de données : les paléontologues ont accumulé des ensembles de données fossiles retraçant les changements macroévolutifs dans les lignées anciennes, tandis que les biologistes moléculaires ont reconstruit la microévolution sur une échelle de temps plus comprimée - dans l'ADN et les protéines qu'ils codent.

Il existe désormais suffisamment d'ensembles de données pour tester plus en profondeur les théories du changement évolutif. Récemment, une équipe de scientifiques a combiné les connaissances issues de plusieurs modèles évolutifs avec de nouvelles méthodes pour construire un cadre mathématique permettant de mieux saisir les processus évolutifs réels. En appliquant ses outils à une sélection d'ensembles de données évolutives (dont ses propres données issues de recherches sur une ancienne famille de protéines), l'équipe a découvert que les pics évolutifs n'étaient pas seulement fréquents, mais regroupés de manière assez prévisible aux bifurcations de l'arbre évolutif.

Leur modèle a montré que les protéines se déforment plus rapidement en de nouvelles itérations au moment où elles divergent les unes des autres. Les langues humaines se déforment et se reformulent aux bifurcations de leur propre arbre généalogique. Les corps mous des céphalopodes se couvrent de bras et de ventouses à ces mêmes divisions.

Cette nouvelle étude renforce les arguments antérieurs en faveur du phénomène d'équilibre ponctué, a déclaré Pagel, qui n'a pas participé au projet. Cependant, ce comportement évolutif rapide n'est pas un processus unique, distinct de la sélection naturelle, comme l'ont suggéré Eldredge et Gould, mais plutôt le résultat de périodes d'adaptation extrêmement rapides propulsant le changement évolutif.

" C’est vraiment une très belle histoire de philosophie des sciences ", a déclaré Pagel.

Explosions fantômes

Jordan Douglas, biologiste évolutionniste à l'Université nationale australienne de Canberra, est fasciné par les origines du code génétique. Pour comprendre ces premières étapes de l'évolution de la vie, il étudie les aminoacyl-ARNt synthétases (aaRS), une famille d'enzymes essentielles à la construction des protéines. Les enzymes aaRS semblent précéder le dernier ancêtre commun universel de toute vie sur Terre.

" Ces enzymes sont responsables de la création de ce type de logique réflexive que la nature utilise pour se construire, en aidant à traduire l'ARN en protéines qui copient l'ARN, qui construisent plus de protéines, qui copient plus d'ARN ", a déclaré Douglas.

( Photo : Jordan Douglas, vêtu d'un t-shirt noir, est assis à une table dans un café en plein air avec des tables et des plantes en arrière-plan. )

Jordan Douglas, biologiste évolutionniste à l'Université nationale australienne de Canberra, a développé avec ses collègues un nouveau cadre mathématique qui montre le rythme souvent explosif des changements évolutifs.

Douglas administre une base de données en pleine croissancedes structures et séquences aaRS de l'arbre du vivant, que lui et ses collègues utilisent pour reconstituer l'histoire évolutive de cette famille de protéines, longue d'environ 4 milliards d'années. En étudiant ces séquences, il a observé que ces enzymes ont dû évoluer par à-coups très rapides. Bien que ces molécules ne soient pas des espèces à proprement parler, elles ont évolué au fil du temps selon un schéma arborescent bifurquant, à l'image des populations d'organismes, leurs nouvelles formes créant des branches avec des quasi-espèces. Leur schéma arborescent évolutif a rappelé à Douglas et à ses collègues le débat sur l'équilibre ponctué.

L'équipe a exploré un " terrier de lapin ", a déclaré Douglas, pour faire émerger et évaluer toute preuve à l'appui de la théorie d'Eldredge et Gould — des ensembles de données sur tout, de l'évolution de la taille du corps des mammifères au système digestif spécialisé des perroquets d'Australasie pour aspirer le nectar, à la propagation mondiale précoce du virus. À l'origine de la pandémie de Covid-19, ils souhaitaient construire un modèle cohérent de la façon dont les équilibres ponctués se forment dans de nombreuses formes et échelles de vie, y compris et au-delà des enzymes. Ils étaient particulièrement curieux de ces moments insaisissables où une espèce devient deux.

Un élément clé de leur approche a été l'introduction des " pics ", un paramètre de modèle qui mesure l'ampleur du changement à chaque apparition d'une branche. " [Le pic] est une contribution novatrice de cet algorithme, qui n'est généralement pas utilisée en phylogénétique ", a déclaré Douglas.

Selon lui, le paradigme de la phylogénétique (l'étude des relations évolutives) est que les changements se produisent non seulement lentement et progressivement, mais souvent indépendamment une fois qu'une nouvelle espèce forme sa propre branche. L'hypothèse était que lorsqu'une espèce se sépare d'une autre, les deux nouvelles formes évoluent passivement l'une en dehors de l'autre, dérivant seules sur leur trajectoire évolutive, telles deux bouées flottantes en mer. Mais Douglas ne pense pas que l'évolution se déroule toujours ainsi dans la réalité ; il pense qu'il peut y avoir une dynamique de division et de poussée d'adrénaline.

" Lorsqu'un groupe ou une population se divise en deux, c'est souvent comme s'il y avait une force magnétique qui les éloignait immédiatement ", a expliqué Douglas. " Ensuite, ils connaissent une sorte d'évolution lente et indépendante. "

Le nouveau modèle intègre également des ramifications passées invisibles aujourd'hui. Si une lignée se ramifie, mais que cette branche a été coupée il y a des millions d'années lors de son extinction, elle pourrait ne plus apparaître du tout dans les données modernes. Douglas et son équipe ont pris en compte ce qu'ils ont appelé des " explosions fantômes " d'évolution, appelées " souches " dans leur modèle. " Même si la branche a disparu, elle a laissé une empreinte ", a expliqué Douglas.

Cette approche s'appuie sur les connaissances d'autres biologistes évolutionnistes, dont Pagel, qui a co-développé en 2010 une méthode pour expliquer la disparition des branches d'espèces disparues. Le modèle de l'équipe de Douglas est plus général que les approches précédentes, a expliqué Pagel, ce qui permet aux chercheurs de développer des arbres dont le rythme d'évolution varie. " Cette histoire est composée de nombreux petits éléments qui s'assemblent de manière très harmonieuse ", a-t-il ajouté.

Pouvoir explicatif

Une fois que l’équipe a développé son nouveau modèle, elle l’a testé sur plus d’une douzaine d’ensembles de données évolutives dans plusieurs domaines d’études.

Lorsque les chercheurs ont appliqué le modèle à leurs propres recherches sur les enzymes aaRS, ils ont constaté une accumulation de changements rapides autour des branches de l'arbre évolutif. En comparant leur arbre aaRS à d'autres qui supposaient des changements plus progressifs, ils ont constaté que les relations entre les lignées étaient similaires. Cependant, les pics évolutifs du nouveau modèle ont raccourci de 30 % les nouveaux arbres par rapport aux changements progressifs, ce qui suggère que le temps écoulé entre les premiers ancêtres et l'extrémité des branches était plus court, et que les enzymes avaient évolué plus rapidement.

Douglas et ses collègues ont également réanalysé un ensemble de données sur les caractéristiques des céphalopodes, comme l'émergence des tentacules et l'évolution des formes corporelles, à partir de 27 espèces vivantes et de 52 fossiles. Les résultats ont montré ce que les chercheurs décrivent comme une contribution triviale de l'évolution progressive vers la forme physique des céphalopodes sur quelque 500 millions d'années, 99 % de cette évolution se produisant par poussées spectaculaires près de la bifurcation des branches.

Le nouveau modèle mathématique a montré que les poussées évolutives ont conduit à l’émergence de presque tous les traits caractéristiques des céphalopodes, tels que les tentacules.

Cette accélération soudaine lors de la division des lignées – appelée " ramification saltative " par Douglas et ses collègues – ne se limite pas à l'évolution des êtres vivants. Ils ont découvert qu'elle s'applique également aux systèmes créés par les êtres vivants. L'équipe a appliqué son modèle à la série de modifications et de circonvolutions arborescentes dans la famille des langues indo-européennes. En tenant compte des premières poussées d'évolution linguistique, l'équipe a pu estimer le temps d'origine de cette famille en Eurasie.

La leçon à tirer de ces résultats, a déclaré Douglas, est que les équilibres ponctués sont " très répandus, assez généraux " dans de nombreux aspects de l'évolution. " Il est difficile de construire une compréhension solide de l'évolution sans tenir compte de ce processus ", a-t-il ajouté. La ramification saltative pourrait être fondamentale pour l'évolution biologique et culturelle.

L'épreuve du temps

L'étude fusionne les points de vue anciens, et souvent contradictoires, des paléontologues et des biologistes moléculaires sur le rythme de l'évolution. Les paléontologues, qui travaillent principalement avec des données morphologiques à long terme issues de fossiles, rencontrent plus souvent des équilibres ponctués. " Ce que les paléontologues ont beaucoup moins réussi à appréhender, c'est le rétrécissement qui se produit réellement lors de la spéciation ", a déclaré Gene Hunt, paléontologue évolutionniste au Musée national d'histoire naturelle du Smithsonian, qui n'a pas participé à la nouvelle recherche. Les détails entourant l'émergence des espèces sont difficiles à saisir dans les archives fossiles, simplement parce que le processus est très rapide, a-t-il déclaré.

Parallèlement, le phénomène est moins bien défini dans les données génétiques et moléculaires, qui tendent à révéler des différences plus subtiles et progressives à mesure que les espèces divergent. " [Les biologistes moléculaires] ont clairement exprimé l'idée que Gould avait tort ou qu'il ne comprenait pas les données moléculaires ", a déclaré April Wright, phylogénéticien statisticien à l'Université du Sud-Est de la Louisiane, qui n'a pas participé à la nouvelle recherche. " Il est donc vraiment intéressant de voir ce modèle [d'évolution abrupte] mesuré dans les données moléculaires. "

Quelles conditions pourraient modifier le rythme évolutif des arbres ? Après avoir vécu dans un nouvel environnement ou subi de nouvelles pressions évolutives, deux groupes d'organismes peuvent se séparer physiquement et accumuler rapidement des différences. Le même phénomène peut se produire lorsque les humains, leurs cultures ou leurs langues, s'isolent d'un groupe initial plus vaste.

" Peut-être évoluent-ils dans un nouvel environnement. Peut-être adaptent-ils simplement des normes culturelles différentes à mesure qu'ils grandissent en tant que groupe ", a déclaré Wright. " Il serait tout à fait logique que l'on observe cette même signature de changement se concentrer aux nœuds. "

Ces poussées évolutives pourraient également être assimilées à des phénomènes de division ou de spéciation. Pagel décrit les espèces comme étant généralement maintenues dans une sorte de stase temporaire. De temps à autre, cette stabilité est perturbée par des changements environnementaux, et les populations développent rapidement de nouvelles façons de survivre, occupant une niche différente dans leur écosystème.

Le cadre doit être testé plus avant. Un peu plus d'une douzaine d'études ont été utilisées pour évaluer le nouveau modèle, a déclaré Hunt. Mais il existe probablement des centaines d'ensembles de données paléontologiques qui pourraient être analysés par ces nouveaux outils, sans compter d'autres sur l'évolution moléculaire. " Il existe une quantité considérable de données disponibles qui pourraient être utilisées à cette fin ", a-t-il ajouté. On ne sait pas lequel de ces tests pourrait perturber ce nouveau modèle de ramification saltative et le faire évoluer vers son prochain pic évolutif.

Points clés quant à ce cadre mathématique :

- Il vise à dépasser les modèles classiques qui ne considèrent que peu de traits ou peu d'espèces en prenant en compte un grand nombre de traits et d'espèces, donc une très grande dimension du système.

- Le cœur de cette approche mathématique consiste à modéliser les matrices clés gouvernant l'évolution (comme la matrice de pléiotropie des mutations, la matrice Jacobienne de la dynamique évolutive, et la Hessienne de la fonction de fitness) comme des matrices aléatoires avec des propriétés statistiques représentatives des caractéristiques génériques de ces systèmes complexes.

- La théorie des grandes matrices aléatoires permet de révéler des régularités et des prédictions génériques sur la stabilité, la possibilité, la convergence et la diversification évolutive dans ces systèmes d'une très grande complexité.

- Ce cadre mathématique apporte des outils puissants pour étudier la coévolution et la diversification dans des réseaux écologiques complexes, en particulier en évaluant sous quelles conditions la biodiversité peut s'accroître ou au contraire être contrainte.

- Un aspect important concerne l'étude de la stabilité évolutive des équilibres dans ces systèmes, avec des applications possibles aux dynamiques hôtes-parasites et à la théorie classique des systèmes de Lotka-Volterra étendue en haute dimension. 

Ce nouvel outil mathématique représente donc un cadre abstrait et probabiliste, mais qui s'ajuste aux réalités biologiques complexes et permet d'appréhender des questions évolutives et écologiques à une échelle jamais explorée auparavant de façon aussi rigoureuse.