Qu’est-ce que l’évolution ?

Il existe sur notre planète des organismes microscopiques qui peuplent pratiquement le moindre recoin : les bactéries. Il y a environ un milliard d’espèces de bactéries sur terre. Pourquoi y a-t-il une telle diversité de bactéries habitant notre planète ? L’évolution est la clé. On emploie le mot évolution pour décrire les modifications dans les organismes qui se produisent sur de nombreuses générations. En 1831, le naturaliste anglais Charles Darwin s’embarqua pour un voyage de 5 ans sur le navire britannique de recherche H.M.S. Beagle. Pendant le voyage, Darwin observa des tendances intéressantes dans la répartition et les caractéristiques de nombreuses créatures vivantes. Il se dit que ces caractéristiques étaient des modifications qui aidaient les organismes à s’adapter aux environnements dans lesquels ils vivaient (Figure 1). Ce voyage aida Darwin à aboutir à une théorie de l’évolution dans laquelle il expliquait comment les organismes vivants se modifiaient à chaque génération, s’adaptant aux conditions de leur environnement afin de survivre [1].

Comment se produit l’évolution ?

L’une des grandes questions à la base de la théorie de Darwin était de savoir comment les modifications qu’il observait se produisaient. Maintenant, nous savons que ces modifications sont finalement provoquées par des mutations. Les mutations sont des modifications des gènes des organismes. Les gènes sont des instructions que possèdent les organismes vivants. Chaque gène est composé d’une combinaison unique de quatre molécules appelées nucléotides : l’adénine, la cytosine, la guanine et la thymine. L’ordre dans lequel sont rangés ces nucléotides, que l’on appelle la séquence génétique, détermine la fonction de chaque gène. Le total de tous les gènes d’un organisme s’appelle le génome. Le génome contient le codage de l’information de toutes les caractéristiques d’un organisme, si bien que toute modification de l’un ou plus des nucléotides d’un gène (appelée modification génétique) peut perturber une caractéristique de cet organisme, comme par exemple la couleur des yeux, sa taille ou la façon dont il assimile son alimentation. Cette information génétique est héréditaire, ce qui veut dire qu’elle se transmet d’une génération à l’autre.

Des mutations dans les gènes peuvent se produire spontanément ou en réponse à des facteurs de stress dans l’environnement, mais, quelle que soit la cause, toutes les mutations sont le fait du hasard [2]. Cela signifie que des modifications génétiques peuvent se produire n’importe où dans le génome d’un organisme. L’accumulation des mutations au cours des générations peut être bénéfique ou ne pas avoir d’effet au niveau de la survivance. Darwin a résumé tous ces faits dans un concept simple : la sélection naturelle [1]. La sélection naturelle est le processus de lente accumulation de mutations bénéfiques au cours des générations, faisant en sorte que les organismes deviennent mieux adaptés à leurs environnements. Les organismes qui sont moins bien adaptés auront plus de problèmes pour survivre que les organismes dont les mutations les ont aidés à s’adapter. Lorsque les mutations provoquent des modifications significatives dans un organisme, elles peuvent conduire au développement d’une nouvelle espèce [1].

Les bactéries sont de bons sujets pour étudier l’évolution

La voie classique pour démontrer qu’une espèce se modifie au cours du temps passe par les archives fossiles. Les fossiles montrent comment la vie primitive s’est formée et, si l’on trouve suffisamment de fossiles, il est possible d’observer comment un organisme a évolué au cours du temps. Cependant, si les archives fossiles sont incomplètes, il est impossible de voir toutes ces modifications ou de s’imaginer comment l’organisme a évolué. Pour résoudre ce problème, il serait plus facile d’étudier l’évolution directement, en étudiant toutes les modifications génétiques se produisant à chaque génération. Pour ce faire, les chercheurs doivent d’abord trouver un organisme idéal à étudier. Les bactéries sont un choix évident car elles sont faciles à cultiver en laboratoire et elles se reproduisent rapidement. Escherichia coli est une bactérie très étudiée qui habite le système digestif des êtres humains et d’autres animaux à sang chaud (Figure 2). À titre de comparaison, si nous voulions mener une expérience d’évolution sur des êtres humains, nous devrions attendre, en moyenne, 26 ans pour obtenir une nouvelle génération, tandis qu’E. coli produit une nouvelle génération en 20 minutes – moins de temps qu’il n’en faut pour obtenir une pizza ! De plus, E. coli a un petit génome, ce qui réduit les difficultés et les coûts pour étudier les modifications réelles des nucléotides qui se produisent à chaque génération (Figure 2). Dans les sections qui suivent, nous décrirons quelques expériences que les scientifiques ont menées, en utilisant E. coli, afin d’étudier le processus d’évolution en laboratoire.

Comment est-ce que les bactéries évoluent en réaction à un froid extrême ?

En étudiant E. coli en laboratoire, un groupe de scientifiques a espéré comprendre comment les bactéries pouvaient s’adapter au froid extrême. Pour étudier ceci, ils ont conçu une expérience au cours de laquelle E. coli était soumis à un froid extrême pendant de longues durées. L’expérience comportait 150 cycles de congélation à -80 °C pendant 22,5 h, suivie d’un dégel à température ambiante pendant 1, h. Le résultat ? Le taux de survivance des E. coli a augmenté ; ils avaient évolué. Lorsque les scientifiques ont étudié le génome de ces bactéries évoluées, ils ont trouvé des mutations qui désactivaient un gène qui joue un rôle dans la production de la cardiolipine, une molécule qui rend la couche extérieure de la cellule bactérienne solide et rigide. D’autres recherches ont démontré que le fait d’arrêter la production de cardiolipine aidait à maintenir la membrane fluide et souple après congélation, ce qui augmentait le taux de survie [3].

L’étude la plus ambitieuse sur l’évolution

L’étude la plus ambitieuse sur l’évolution a été conduite par un scientifique du nom de Richard Lenski. Lenski a conservé des E. coli dans une bouteille spéciale avec un liquide, appelé milieu, contenant un nombre limité de nutriments (Figure 3). Dans ce milieu de cuture, les bactéries se sont développées rapidement mais ont épuisé les nutriments tout aussi rapidement. Ensuite, les bactéries sont entrées dans un état de ≪faim≫ qui a duré 24 h, après lequel certaines de ces bactéries affamées et stressées ont été transférées dans une autre bouteille avec un milieu frais contenant les mêmes nutriments. Il a répété ce processus, encore et encore. Durant cette longue durée, le stress vécu par les bactéries tout au long du processus a conduit à l’apparition de mutations et, par conséquence, d’une évolution de la population bactérienne. Lenski et ses collaborateurs ont commencé cette expérience d’évolution à long terme (LTEE) en 1988, et elle dure encore [4]. Maintenant, au bout de plus de 74 000 générations, de nombreuses choses intéressantes sont apparues.

Des trouvailles remarquables au cours de cette ltee

L’une des observations les plus remarquables de cette LTEE fut l’augmentation notable et durable de la valeur adaptative (Fitness en anglais) pendant les 5 000 premières générations (environ 2 années). Qu’est-ce que cela signifie ? Eh bien, que les organismes disposant d’une meilleure adaptation se conforment mieux à leur environnement et vont produire une descendance plus importante par rapport à leurs concurrents qui sont moins bien adaptés.

Lenski a observé que, pendant les deux premières années de son expérience, des modifications génétiques émergeaient chez certaines bactéries, permettant à ces bactéries de s’adapter à l’environnement, de devenir plus aptes, jusqu’à ce qu’elles deviennent prédominantes dans la population [4]. Certaines bactéries s’adaptaient si bien à l’environnement qu’elles ont même perdu certaines fonctions dont elles n’avaient plus besoin sous les conditions expérimentales. Cela est semblable à ce qui est arrivé à certains animaux après des centaines de milliers d’années de vie dans l’obscurité absolue, par exemple dans des grottes. Ces animaux ont développé une adaptation dans laquelle leurs yeux ont fini par être perdus, étant donné que les yeux ne sont d’aucune utilité dans ces conditions très sombres.

Une autre découverte remarquable de cette LTEE fut que, dans l’une des expériences, cette population bien adaptée d’E. coli n’était pas la seule population, mais qu’une deuxième population minoritaire coexistait avec elle car elle avait développé une capacité à profiter de l’acétate, un déchet produit par la population dominante. Cela est similaire à la relation entre les lions et les animaux charognards. Les lions se nourrissent des animaux qu’ils chassent et les restes qu’ils laissent deviennent des aliments pour d’autres animaux tels que les hyènes ou les vautours.

Comme nous l’avons mentionné précédemment, les organismes qui développent suffisamment de modifications génétiques et structurelles peuvent devenir une nouvelle espèce. Ce processus aurait-il pu avoir lieu dans cette LTEE ? Les E. coli possèdent certaines caractéristiques qui font d’elles des E. coli et non une autre espèce bactérienne. Parmi ces caractéristiques, il y a l’incapacité à utiliser une substance appelée citrate en tant que source alimentaire en présence d’oxygène. De manière surprenante, les scientifiques ont observé qu’après 31 500 générations (plus de 12 ans), une population d’E. coli a commencé à utiliser le citrate comme source d’alimentation [4]. L’évolution de la capacité à utiliser le citrate est exceptionnellement rare ! Comment cela a-t-il été possible ? Eh bien, E. coli possède tous les gènes nécessaires pour consommer le citrate, mais ces gènes sont désactivés et ne fonctionnent qu’en absence d’oxygène. Lorsque les scientifiques ont observé le génome des organismes ayant évolué, ils ont réalisé que, du fait de certaines mutations, ces gènes avaient été activés, permettant aux E. coli d’utiliser le citrate comme source d’alimentation. Maintenant, est-ce que ce consommateur de citrate est une nouvelle espèce d’Escherichia ? Qu’en pensez-vous ?

Conclusions

Toutes les études sur l’évolution nous ont appris que la vie sait trouver sa voie. Pour cette raison, les génomes bactériens peuvent s’adapter de manière surprenante lorsque les bactéries sont confrontées à des adversités d’ordre environnemental. Ce processus permet aux bactéries de coloniser de nouveaux endroits. L’E. coli est devenu l’organisme modèle pour ces études d’évolution car elle croit facilement, dispose d’un génome restreint et que nous savons beaucoup de choses à son sujet. Les données obtenues à partir de ces expériences contribuent à l’étude de questions importantes sur l’évolution et nous permettront non seulement de comprendre mais aussi, potentiellement, de guider l’évolution à l’avenir. Pouvez-vous imaginer un avenir dans lequel il serait possible de connaître tous les gènes qui contrôlent toutes les caractéristiques physiques et les maladies d’un organisme ? Peut-être n’en sommes-nous pas très loin, et lorsque cela arrivera, nous pourrons aider des organismes à combattre des maladies et peut-être trouver d’autres manières de porter assistance à ces organismes, y compris les êtres humains, à devenir mieux adaptés à leurs environnements.

Glossaire

Évolution: ↑ En biologie, c’est la modification de toute caractéristique d’un organisme. Ces modifications dérivent de mutations se produisant sur des générations.

Mutation: ↑ Il s’agit de modifications dans la séquence des nucléotides des gènes.

Gène: ↑ Un ensemble défini de nucléotides. L’ordre et le type de ces nucléotides déterminent les fonctions d’un gène.

Nucléotide: ↑ Il y a quatre molécules organiques, qui s’appellent l’adénine, la cytosine, la guanine et la thymine, qui servent à former des unités d’acide désoxyribonucléique (ADN), la biomolécule essentielle de toute forme de vie sur la Terre.

Génome: ↑ Tous les gènes que possède un organisme.

Sélection naturelle: ↑ Il s’agit du processus de lente accumulation de mutations bénéfiques au cours des générations, provoquant le remplacement et au final l’extinction des organismes les moins adaptés.

LTEE: ↑ C’est l’acronyme pour ≪expérience d’évolution à long terme≫, qui désigne les expériences d’évolution effectuées sur de longues durées.

Valeur adaptative: ↑ Le degré auquel un organisme est adapté à son environnement, qui détermine le nombre de descendants de cet organisme.

Conflit d’intérêts

Les auteurs déclarent que les travaux de recherche ont été menés en l’absence de toute relation commerciale ou financière pouvant être interprétée comme un potentiel conflit d’intérêts.

Remerciements

Je remercie Daniel E. Bustos Díaz et Diana E. García Hernández pour leur vérification minutieuse et leur relecture de l’anglais qui ont permis d’optimiser la qualité du manuscrit. Je remercie également Erika Viridiana Cruz Bonilla pour son assistance dans la réalisation des illustrations de cet article.

Déclaration d’utilisation des outils d’IA

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