Quand la nature a-t-elle éclaté en couleurs vives ?

Les scientifiques ont reconstitué 500 millions d'années d'histoire évolutive pour révéler ce qui est apparu en premier : les signaux colorés ou la vision des couleurs nécessaire pour les voir.

(photo animée : Une crevette mante présente une coloration frappante et peut la voir mieux que la plupart des animaux : ses yeux ont 12 canaux de couleur qui peuvent percevoir le spectre ultraviolet et la lumière polarisée.)

La nature regorge de couleurs, et nombre de ces teintes vibrantes sont destinées à être vues. Les pommes rougissent pour inciter les animaux à semer leurs graines, les fleurs de lavande se parent de violet pour attirer les abeilles pollinisatrices, et les paons mâles, suivis de traînes bleues éclatantes, attirent plus facilement leurs partenaires.

Cependant, le monde n'est coloré que pour certains d'entre nous. Ces signaux lumineux sont perceptibles par les animaux qui voient en couleur ; pour les organismes dont la vision des couleurs est limitée, voire inexistante, nombre de ces couleurs vives n'ont aucune signification. Cela soulève d'intéressantes questions évolutionnaires. Qu'est-ce qui est apparu en premier : les signaux colorés ou la vision des couleurs nécessaire pour les percevoir ? Et quand ces signaux optiques ont-ils émergé et pris leur essor, peignant le monde naturel dans le spectre kaléidoscopique que nous observons aujourd'hui ?

" Certains oiseaux sont rouges, certains serpents sont rouges, et certaines plantes ont des fruits rouges. Dans tous ces cas, la coloration rouge sert de signal ", a expliqué Zachary Emberts, biologiste évolutionniste à l'Université d'État de l'Oklahoma. " Cela nous a amenés à nous interroger : quelle était la fonction initiale d'une coloration visible, comme le rouge, et de la vision des couleurs ? "

Emberts et son ancien conseiller postdoctoral John Wiens, écologiste évolutionniste à l'Université de l'Arizona, a passé au peigne fin des recherches couvrant des centaines de millions d'années d'histoire évolutive pour offrir une réponse scientifique à la question de la poule et de l'œuf de la couleur. Les chercheurs ont utilisé les archives fossiles et les arbres phylogénétiques – des chronologies de l'émergence des espèces largement fondées sur les traits modernes – pour déduire quand les signaux colorés ont pu apparaître chez les plantes et les animaux. Ils ont ensuite testé leur hypothèse selon laquelle la vision des couleurs et les signaux colorés ont évolué ensemble.

" Ce que j’aime dans ce journal, c’est l’ambition et la confiance qu’il y a à poursuivre de grandes questions et à explorer des idées qui impliqueront inévitablement des spéculations ", a déclaré William Allen, écologiste qui étudie les systèmes sensoriels à l'Université de Swansea, au Pays de Galles, et qui n'a pas participé à la nouvelle étude. " Au XXIe siècle, la science a tendance à se concentrer sur l'application de techniques analytiques aux données, ce qui peut parfois nuire à la réflexion approfondie, à l'histoire naturelle et à la curiosité. "

L'évolution de la couleur

Étudiant de troisième cycle à l'Université du Texas à Austin, Wiens était fasciné par les beaux animaux. Pour sa thèse, il a étudié les lézards à ventre bleu, dont le dos est couleur terre et le ventre couleur saphir, afin d'étudier l'évolution des signaux sexuels. Il a construit un arbre phylogénétique des espèces de lézards et a été fasciné de constater que les taches bleues des mâles, qui signalent leur aptitude aux femelles, disparaissaient et réapparaissaient fréquemment. Tout au long de la chronologie évolutive, peut-être parce que les femelles ont cessé de percevoir les signaux dans certaines lignées. Ce projet a éveillé sa curiosité quant à l'évolution possible de la production et de la reconnaissance des signaux de couleur.

(Photo : Alors qu'il était étudiant diplômé, John Wiens a découvert pour la première fois des taches colorées utilisées par les lézards comme signal sexuel. Des décennies plus tard, il a repris son exploration de l'utilisation de la couleur par les organismes.)

La couleur a un coût. Par exemple, un signal vif pour attirer un partenaire peut également attirer des prédateurs. Mais la persistance de la couleur tout au long de l'histoire évolutive suggère que, pour de nombreux organismes, l'information qu'elle communique est suffisamment bénéfique pour compenser son coût. Cependant, sans la vision des couleurs, l'intérêt de conserver une coloration distinctive disparaîtrait ; en effet, il y aurait peu de raisons pour qu'elle évolue. Wiens s'est donc demandé pourquoi différentes espèces ont développé la capacité de voir les couleurs – peut-être pour trouver des fruits, des fleurs ou des partenaires colorés ? Ces palettes existaient-elles seulement à l'époque ?

Il n'a pas immédiatement enquêté et a passé plusieurs décennies à étudier l'évolution des reptiles et des amphibiens. Mais les questions le taraudaient sans cesse. Wiens, en collaboration avec Emberts, a donc tenté de reconstituer l'histoire évolutive de la couleur chez les êtres vivants. Ils ont épluché la littérature pour compiler des fossiles et des arbres phylogénétiques, construits par eux-mêmes et d'autres, afin de dater approximativement l'apparition de ces traits dans le temps lointain. La méthode est imparfaite, mais généralement, si de nombreuses espèces modernes étroitement apparentées présentent le même trait, les chercheurs peuvent en déduire qu'il a évolué chez un ancêtre commun.

Ils ont envisagé plusieurs hypothèses quant à la manière dont ces développements évolutifs auraient pu se dérouler. La vision des couleurs aurait peut-être d'abord évolué pour une raison non liée à la signalisation, comme la détection d'un abri, de nourriture ou de points de repère. Mais le duo a émis une hypothèse plus dynamique : la vision des couleurs aurait évolué à peu près en même temps qu'un signal coloré, comme des fruits éclatants, des fleurs attrayantes, des couleurs d'accouplement ou des signaux d'alerte.

Les données ont révélé que des couleurs distinctives sont apparues il y a environ 300 millions d'années dans les fruits et les graines. Les fleurs colorées sont probablement apparues ensuite : la plupart des chercheurs identifient l' ancêtre commun le plus récent de toutes les plantes à fleurs au Trias, il y a entre 140 et 250 millions d'années. " Il existe de nombreux désaccords sur l'âge des plantes à fleurs ", a déclaré Wiens, " mais la médiane de l'estimation est d'environ 200 millions d'années. "

(Photo) Dans le sens des aiguilles d'une montre à partir du haut à gauche : les papillons lune bleus femelles  préfèrent les mâles avec des taches bleues irisées ; les grenouilles venimeuses dorées utilisent la coloration jaune pour  signaler les toxines de la peau; les grives mauvis  préfèrent les myrtilles qui réfléchissent la lumière UV ; les fleurs de balsamine de l'Himalaya attirent les abeilles sensibles au violet..

Puis, il y a environ 130 millions d'années, il semble que les animaux aient commencé à utiliser des couleurs pour éloigner leurs prédateurs. C'est à cette époque que la première trace d'une coloration d'avertissement apparaît dans les archives fossiles, chez un cafard fossilisé dans l'ambre (la couleur exacte n'est pas entièrement claire, précise Wiens). Il y a environ 105 millions d'années, un groupe de papillons a probablement émis des éclairs.jaunes, rouges et oranges comme chenilles ; Wiens et Emberts ont déduit ces couleurs ancestrales à partir de descendants colorés qui existent aujourd'hui.

Bien que, phylogénétiquement, les fleurs colorées semblent avoir une origine unique, les teintes d'avertissement sont présentes dans neuf embranchements différents, ce qui signifie qu'elles ont probablement évolué indépendamment, encore et encore – peut-être même des centaines de fois, a expliqué Wiens. Elles ont même évolué chez des espèces dépourvues de vision des couleurs, probablement parce que leurs prédateurs en sont dotés.

Finalement, les animaux ont commencé à porter des couleurs pour attirer des partenaires. Il y a environ 100 millions d'années, deux types de poissons – les espèces longues et argentées comme les poissons-aiguilles, et les espèces à nageoires rayonnées comme le killifish – ont probablement acquis des couleurs, d'après les données phylogénétiques des espèces vivantes. Ces signaux sexuels pourraient également avoir évolué des centaines de fois chez les vertébrés et les arthropodes, ont découvert les chercheurs, mais contrairement aux couleurs d'avertissement, ces signaux n'existent que chez les espèces dotées de la vision des couleurs. " Il faut être capable de voir les couleurs de ses congénères [membres de la même espèce] pour que ces signaux sexuels fonctionnent ", a expliqué Wiens.

À sa grande surprise, l'apparition de ces signaux colorés était loin d'être comparable à celle de la vision des couleurs. Il a découvert que la vision des couleurs a probablement évolué deux fois indépendamment, à peu près à la même époque : il y a entre 400 et 500 millions d'années chez les arthropodes, comme les insectes, et chez les animaux à colonne vertébrale, comme les poissons. Cela place l'évolution de la vision des couleurs 100 à 200 millions d'années avant celle des signaux colorés

L'évolution des couleurs chez les entités vivantes

Une analyse diachronique des fossiles végétaux et animaux montre que la vision des couleurs a commencé à évoluer il y a environ 500 millions d'années. Depuis le vivant communique avec les couleurs via une grande variété de signaux

- 500 millions                  - 400 *                  -300                    -200                     -100

 Vision colorée                       Dispersion            Pollinisation          Défense                   Attraction

                                                des graines        

La perceptuion évolue            Les fruits                 1 ères                     Un insecte                Les poissons sont

independammen chez les       brillants                   fleurs                       fossile présente       les premiers à

arthropodes et les                   attirent                    colorées                   des signes               déployer des teintes

vertébrés                                 plus                                                         d'avertissements     vibrantes pour les

                                                                                                               colorés                      accouplements

Dans le règne animal, il existe une incroyable variation. Dans la perception visuelle. Ce qu'un animal voit dépend de la structure de sa rétine et de son système neuronal de traitement visuel. La plupart des insectes perçoivent la lumière ultraviolette, bleue et verte, mais il existe une grande variété chez les arthropodes ; les yeux des crevettes-mantes possèdent jusqu'à 12 canaux de couleur différents, révélant le spectre ultraviolet et la lumière polarisée. L'ancêtre des vertébrés actuels pouvait probablement détecter le rouge, le violet, le bleu et le vert – une capacité conservée chez les lézards, les oiseaux, les lamproies et les dipneustes, entre autres groupes de vertébrés, a expliqué Wiens. Mais certains composants de la vision des couleurs ont disparu au cours de l'évolution. La myxine ne perçoit pas le rouge. Les requins ne voient pas le bleu. L'œil humain possède trois cônes photorécepteurs qui lui permettent de distinguer le bleu, le vert et le rouge, mais les chiens et les lapins n'en ont que deux, ce qui réduit le nombre de nuances qu'ils peuvent distinguer.

Les données de Wiens et Emberts étayent l'hypothèse selon laquelle la couleur a évolué pour une raison encore inconnue avant ces signaux lumineux. " C'était d'abord la vision des couleurs, puis les fruits, puis les fleurs, puis les signaux d'avertissement et enfin les signaux sexuels ", explique Wiens.

Aller et venir

Les efforts des chercheurs pour reconstituer le temps profond sont certes imparfaits. Les couleurs ne se fossilisent pas facilement, et lorsqu'elles le font, les scientifiques ne peuvent en déduire la fonction que si l'animal a des descendants vivants. Et malgré toutes les données qu'ils impliquent, les arbres évolutifs sont intrinsèquement spéculatifs. Certains traits peuvent évoluer plusieurs fois dans différentes lignées. Par exemple, les baies de genièvre et les myrtilles sont toutes deux bleues, mais leurs ancêtres ont peut-être développé cette coloration séparément. D'autres traits peuvent apparaître et disparaître, comme les taches bleues sur le ventre des lézards. Sachant que des signaux peuvent disparaître et réapparaître au fil des millions d'années, il est difficile d'être certain qu'un ancêtre commun possédait réellement ce trait commun.

" Cette labilité évolutive a pour effet de brouiller la question de savoir si une adaptation de couleur existait depuis des temps reculés ", a déclaré Allen. " Si, par exemple, une lignée acquiert ou perd une couleur d'avertissement tous les millions d'années, il est très difficile de déduire des caractéristiques des espèces actuelles si un ancêtre vivant il y a des centaines de millions d'années possédait une couleur d'avertissement. "

C'est pourquoi l'utilisation des phylogénies pour dater l'origine d'une fonction comporte des incertitudes inhérentes. " Observer ce qui existe aujourd'hui ne nous apprend pas grand-chose, car c'est une simple succession d'événements ", a déclaré le neuroscientifique Daniel Colaco Osorio, qui étudie la vision animale à l'Université du Sussex et n'a pas participé à l'étude. Mais Wiens insiste sur le fait que la seule façon de savoir si des traits disparaissent et réapparaissent est d'utiliser des arbres évolutifs pour tester ce type d'hypothèse. C'est la meilleure méthode dont nous disposons pour examiner le passé évolutif depuis le présent, a-t-il déclaré. " Comment peut-on affirmer [que les traits vont et viennent] sans mener une étude comme la nôtre ? "

Pour être clair, la couleur existait avant la vision des couleurs. Les feuilles des plantes, par exemple, reflètent la lumière verte même en l'absence d'yeux. En 1999, Osorio a étudié la vision des couleurs chez les poussins et a suggéré qu'elle avait une fonction plus générale. " Il pourrait simplement s'agir de reconnaître des objets ou de s'orienter ", a-t-il spéculé. Une théorie répandue a été popularisée en 2000, lorsque Vadim Maximov a proposé que la vision des couleurs ait évolué pour aider les vertébrés. Dans des conditions aquatiques peu lumineuses. La présence de deux classes de photorécepteurs, affirmait-il, contribuait à réduire le scintillement sous la surface des eaux peu profondes, ce qui aidait les créatures aquatiques à chasser leurs proies et à éviter les prédateurs. Cela expliquerait pourquoi les éléments constitutifs de la vision des couleurs sont apparus juste après la maîtrise du mode de vie prédateur actif, mais bien avant son utilisation plus évidente.

Les signaux de couleur maintenus par les êtres vivants au cours de l'évolution sont de nature différente. En 2019, Osorio a suggéré qu'une couleur vive, qu'il s'agisse d'un pigment pur ou d'une structure réfléchissante , intervient pour s'organiser. Ils témoignent donc d'un travail contre les forces d'entropie ; c'est généralement quelque chose pour lequel un organisme a évolué. " Si vous videz le contenu de votre sac d'aspirateur, il est gris, car tout est mélangé ", a-t-il expliqué. " Si vous avez une structure qui a une signification ou un but, cela peut être indiqué par une couleur vive ou pure… qui n'est pas particulièrement liée à la signification du signal. " Ses recherches ont démontré mathématiquement que ce qui semble être une couleur vive et pure pour un animal est susceptible de paraître vive et pure pour un autre, quel que soit son système visuel.

Certaines questions sont finalement insolubles, mais peuvent néanmoins être utiles ou agréables à poser. L'étude de Wiens et Emberts permet de mieux comprendre pourquoi la nature est si colorée. De plus, Wiens a constaté qu'au cours des 100 derniers millions d'années, les signaux d'avertissement et les signaux sexuels ont explosé, alimentés par les échanges entre oiseaux, lézards et poissons. Il pense que cette tendance pourrait se poursuivre, ce qui suggère que la nature est en passe de devenir encore plus éblouissante.