ADN (acide désoxyribonucléique) L’ADN est une longue molécule organique dont le rôle est crucial dans la faculté de reproduction des organismes. La structure à double hélice bien connue est composée de deux brins complémentaires constitués d’un enchaînement de nucléotides. Il porte l’information génétique, comme les 1 et les 0 en informatique.
Chromosomes Très longues molécules d’acide nucléique et de protéines associées qu’on retrouve dans les cellules. Le chromosome contient les gènes et autres séquences d’ADN, ainsi que des protéines qui régularisent l’ADN.
Diversité génétique Dans chaque espèce, il existe différentes combinaisons génétiques possibles. La diversité génétique fait référence au nombre de variations se produisant dans une population, ce qui est un bon indicateur de la faculté de l’espèce à s’adapter aux changements d’environnement: plus grande est la diversité génétique, plus grandes sont les variations propices à la survie dans de nouvelles conditions. Sans la diversité génétique, l’évolution par la sélection naturelle a peu de chance de se produire puisqu’il n’y a pas de variations entre lesquelles choisir. Le patrimoine génétique est constitué par la totalité des gènes à la disposition de l’ensemble d’une population.
Empreinte génétique Également appelée analyse génétique, c’est une technique qui utilise des séquences d’ADN spécifiques afin d’identifier des individus ou des filiations biologiques, comme entre un parent et son enfant. On étudie de petits segments d’ADN à la recherche de courtes séquences répétées en tandem, où des patrons de base sont répétés un certain nombre de fois. Le nombre de ces répétitions varie d’un individu à l’autre.
Génome Ensemble de l’information génétique codée dans l’ADN ou l’ARN dans un organisme. Cela inclut les gènes et l’acide nucléique dans un chromosome qui, quoique non actif dans la reproduction des protéines, a d’importantes fonctions dans la reproduction et le fonctionnement des cellules. Quand un génome est « séquencé », on peut déterminer la succession de toutes les bases qui composent l’ADN d’un organisme.
Mélanisme industriel Sélection naturelle de variations génétiques qui permet à des espèces de développer des pigments foncés dans un environnement noirci par la suie ou d’autres polluants industriels. Un exemple: les phalènes qui ont développé une couleur foncée pour être difficilement visibles sur l’écorce noircie des arbres ont été plus à même de se reproduire et ont transmis leur pigmentation à leur descendance.
Phénotype Ensemble des caractéristiques visibles d’un organisme, parfois mis en contraste avec le génotype qui représente la totalité des informations génétiques.
Population Dans un contexte évolutif, l’ensemble des individus membres d’une espèce dans un environnement donné, qui ont la capacité de se reproduire et qui peuvent donc influencer l’évolution de leur espèce dans cet habitat.
Sélection directionnelle Forme de sélection naturelle où des particularités physiques sont favorisées par les conditions environnementales. Un exemple classique: la variation de la taille du bec des pinsons, là où les baies comestibles sont de tailles différentes.
Sélection disruptive Sélection directionnelle en deux directions opposées simultanées. Il y a sélection disruptive lorsqu’un environnement offre des conditions favorisant deux extrêmes de phénotypes possibles, ce qui provoque un mouvement entre deux populations présentant ces extrêmes. Avec le temps, ces deux variations extrêmes peuvent créer deux espèces distinctes, par exemple les pinsons observés par Darwin aux Galapagos.
Sélection naturelle Mécanisme de l’évolution, où les changements issus de la variation des individus d’une espèce donnée mènent à de meilleures chances de reproduction. À l’origine, mise en opposition avec la sélection artificielle, dans laquelle la reproduction des traits d’une espèce animale ou végétale était recherchée par la reproduction sélective.
Sélection stabilisante L’équivalent, en évolution, de la « régression à la moyenne » statistique. La sélection stabilisante est la tendance à favoriser les phénotypes qui ne se situent pas aux extrêmes, mais plutôt dans un juste milieu. Dans les environnements où les extrêmes ont moins de chance de survie et de reproduction, il se produit une sélection négative, favorisant les individus « moyens ». La sélection stabilisante réduit la diversité génétique.
La définition des espèces est controversée, alors que celle de la population est plus claire: un groupe d’individus vivant dans une même zone géographique et pouvant se reproduire. Une espèce peut être composée d’une seule population – ainsi le phoque de Sibérie (Pusasibirica), le seul phoque d’eau douce au monde, vit dans un seul lac de Sibérie – ou de plusieurs populations, comme les plantes alpines au sommet de différentes montagnes. On peut mesurer les différences entre les populations et utiliser ces informations pour mieux comprendre l’histoire de la nature – par exemple, chez le tétra aveugle (Astyanax mexicanus), ce poisson sans yeux, les spécimens trouvés en surface présentent les mêmes caractéristiques, mais chaque cave sous-marine abrite sa propre population aux caractéristiques uniques, ce qui implique qu’ils ne quittent que rarement leur cave respective. L’évolution agit différemment selon la taille des populations. Là où l’on trouve beaucoup d’individus, les chances sont bonnes pour que s’opère une mutation utile: un exemple extrême de ce fait se retrouve dans la population de virus présents chez un patient infecté du sida, où chaque mutation possible s’effectue quotidiennement. Les petites populations, en revanche, perdent leur diversité génétique rapidement et le hasard joue un grand rôle dans leur évolution. Les bouleversements démographiques – comme ceux subis par maintes espèces en danger – augmentent les risques de dysfonctions reproductives et, donc, d’extinction.
Un organisme individuel n’évolue pas; c’est plutôt la population qui évolue et change de génération en génération.
Parfois, seule une fraction d’une population a la possibilité de se reproduire. Chez les morses, un mâle a un harem d’une centaine de femelles. Ces populations évoluent à un rythme différent de ce que le compte réel de leurs individus laisserait prévoir: c’est qu’en fait, le taux de leur population active est bas. Un différentiel débalancé entre mâles et femelles réduira le ratio de population active; il en va de même pour la sélection naturelle.
SEWALL WRIGHT
1889–1988
Généticien américain qui contribua à la compréhension de la génétique des populations et à la « nouvelle synthèse de la biologie évolutive », en établissant des liens entre la génétique et la sélection naturelle.
Louise Johnson
Différentes populations du tétra aveugle ont été trouvées dans une cave sous-marine du Mexique, mais le phoque de Sibérie ne vit que dans le lac Baïkal et ne compte qu’une seule population.
La vie surgit dans des environnements apparemment hostiles: déserts arides, toundra glacée, fosses océaniques abyssales. Des qualités particulières – l’adaptation – sont nécessaires à la survie dans ces conditions extrêmes: les protéines résistantes à la chaleur trouvées dans les bactéries des geysers brûlants, l’antigel naturel produit par des plantes de climat froid qui les protège des cristaux de glace qui abîmeraient leurs cellules. Mais notre environnement aussi est hostile et il nécessite autant de techniques adaptatives que les autres. Nous respirons de l’air, un exploit que seuls quelques groupes d’animaux ont réussi à accomplir, et la présence de molécules d’oxygène est même mortelle pour certains microbes. Quel que soit leur environnement, les organismes auront des obstacles à surmonter. Ils doivent donc développer des astuces et des techniques pour habiter leur monde, et au fur et à mesure que ce monde change, ils doivent s’adapter encore. Proies, prédateurs, maladies et compétiteurs sont autant de composantes importantes de l’environnement et, étant eux-mêmes sujets à l’évolution, ils en sont une composante qui change rapidement. Cela veut dire que, au moins dans un sens, l’habitat qui paraît le plus hospitalier, et dans lequel le plus d’espèces s’épanouissent, est l’environnement où vivre est le plus difficile. Qui a dit que la vie est une partie de plaisir?
Les êtres vivants évoluent en fonction de leur environnement. Ce processus, l’adaptation, est à la fois nécessaire et inévitable.
Heureusement, l’adaptation est tout aussi irrésistible que vitale. Là où il y a des variations génétiques qui affectent la capacité de survie ou de reproduction, l’adaptation agit. Les adaptations les plus complexes peuvent prendre des milliers, voire des millions de générations de patiente sélection, mais lorsque la variation d’hérédité a lieu – et c’est presque toujours le cas –, alors la sélection naturelle produit des merveilles d’adaptation.
JEAN-BAPTISTE LAMARCK
1744–1829
Naturaliste français célèbre pour sa théorie de la transmission des caractères acquis, mieux connue sous le nom de lamarckisme.
Louise Johnson
La vie s’adapte aux conditions hostiles… Depuis l’oryx des déserts d’Afrique jusqu’au lièvre arctique des régions polaires.
La plupart des biologistes modernes définiraient les gènes en termes moléculaires – une séquence d’ADN dont une cellule se sert afin de produire une protéine –; en réalité, ce mot a été forgé des décennies avant que l’on connaisse le rôle de l’ADN dans l’hérédité. Il décrivait alors la cause hypothétique des différences entre individus: un petit plant de pois et un grand; une mouche aux yeux rouges et une autre aux yeux blancs. Pas de différences? Pas de gènes. Au XXe siècle, on a découvert que les gènes étaient liés aux chromosomes, ces mystérieux objets ressemblant à des ficelles vus pendant la division cellulaire, et que la plupart des gènes correspondaient aux protéines. Peu à peu, il devint évident que les gènes contenaient de l’information. L’information génétique est contenue dans l’ADN, une longue et inerte molécule composée de petites sous-unités, et les différences génétiques sont des altérations ou des erreurs dans cette information. Ces erreurs peuvent altérer la protéine encodée par le gène – par exemple, le gène de la fibrose kystique fabrique une version dysfonctionnelle de la protéine qui régule le niveau de sel de l’organisme. Quoi qu’il en soit, plus notre connaissance du génome progresse, plus nous comprenons que notre définition des gènes est incomplète, car certains gènes exercent leur influence à d’autres desseins.
Les gènes sont responsables de la création des têtes. Donc, dans le sens premier du mot, personne n’a de gènes pour créer sa tête!
En 1911, Alfred Sturtevant, un étudiant au baccalauréat alors engagé comme concierge au laboratoire de T.H. Morgan, fit une importante découverte. On savait à l’époque que certains gènes étaient « couplés » – si vous héritiez de l’un, vous héritiez aussi de l’autre – et qu’en faisant des croisements, on pouvait mesurer précisément la force de ces derniers. Sturtevant comprit que les gènes couplés étaient physiquement rapprochés et il conçut la première carte génétique présentant leurs positions relatives et mutuelles.
THOMAS HUNT MORGAN
1866–1945
Généticien américain récipiendaire d’un prix Nobel pour son travail sur le rôle des chromosomes dans la physiologie en 1933.
LILIAN VAUGHAN MORGAN
1870–1952
Généticienne américaine qui popularisa l’utilisation de la drosophile comme espèce modèle pour l’étude de la génétique.
ALFRED HENRY STURTEVANT
1891–1970
Généticien américain qui étudia les effets des bombes atomiques sur les populations.
Louise Johnson
Une plaie dans les restaurants et à la maison, mais une bénédiction pour les généticiens: la drosophile.
Le généticien et biométriste John Burdon Sanderson Haldane (Jack pour les intimes) eut une éducation plutôt atypique pour quelqu’un qui allait avoir une telle influence. Son père, physiologiste, possédait son propre labo à la maison. C’est là que Haldane s’intéressa à la science. Puis, il quitta Eton pour Cambridge, où il étudia les mathématiques pour, plus tard, obtenir un diplôme en humanités. Après avoir été sous les drapeaux en France et en Irak durant la Première Guerre, Haldane retourna à Oxford où il fut Fellow (professeur associé) en génétique et physiologie – ce qui est remarquable, étant donné qu’il n’avait aucun diplôme en ces matières! Il passa ensuite dix ans à Cambridge, où il travailla sur la cinétique enzymatique, puis consacra le reste de sa carrière de pédagogue à l’Université de Londres.
La série de dix articles « Une théorie mathématique de la sélection naturelle » fut la plus grande contribution de Haldane à la génétique. Ces articles furent réunis et publiés sous le titre Les Causes de l’évolution. La démonstration de Haldane d’une base mathématique à la sélection naturelle devint un élément primordial de la « nouvelle synthèse » qui réunit le darwinisme et la génétique mendélienne. À l’époque, il était rare qu’un biologiste ait une aussi grande connaissance des mathématiques, et Haldane se servit beaucoup de la sienne sur quantité de sujets. Un bon exemple en est son essai On Being the Right Size, où l’on retrouve le « principe de Haldane », selon lequel la taille d’un organisme définit et impose les limites de ses mécanismes et de ses structures.
Alors dans la jeune soixantaine, Haldane et sa nouvelle épouse, Helen Spurway, émigrèrent en Inde où ils finirent leurs jours. Il déclara que c’était sa réponse à la crise de Suez, mais l’arrestation de sa femme pour ébriété publique, le renvoi de celle-ci de l’Université de Londres et la démission subséquente de Haldane y furent sans doute pour beaucoup. En Inde, Haldane travailla en statistique et en biométrie à Calcutta et à Odisha, et devint citoyen indien. En 1963, il fut un des premiers à utiliser le terme « clone » en l’appliquant à des humains.
L’esprit caustique de Haldane était célèbre. Parlant de l’altruisme génétique, il déclara: « Je sacrifierais ma vie pour deux frères ou huit cousins », et dans une conférence sur la vie extraterrestre, il dit que s’il y avait un créateur, il devait avoir une nette préférence pour les scarabées, puisqu’il y en avait plus de 400 000 espèces sur Terre, alors qu’il existait seulement 8 000 mammifères.
Brian Clegg
Né à Oxford de John et Louisa Haldane.
1911
Inscrit au New College d’Oxford.
1914
Second lieutenant durant la Première Guerre mondiale.
1919
Nommé Fellow au New College d’Oxford, où il travaille en physiologie et en génétique.
1922
Enseigne la biochimie au Trinity College de Cambridge.
1924-1934
Publie une série d’importants articles: « Une théorie mathématique de la sélection naturelle ».
1926
Épouse Charlotte Burghes.
1926
Publie son essai On Being the Right Size qui établit le principe de Haldane.
1929
Introduit le concept de « soupe primitive » de l’origine de la vie.
1932
Élu Fellow à la Royal Society.
1933
Nommé professeur de génétique au University College de Londres.
1945
Épouse Helen Spurway.
1956
Déménage à Calcutta où il se joint au Indian Statistical Institute.
1961
Obtient sa citoyenneté indienne.
1er décembre 1964
Meurt à Bhubaneswar, en Inde.
Les gens sont tous différents: certains sont plus grands que d’autres, ont des yeux ou du vernis à ongles de couleur différente. Certaines de ces différences sont génétiques: la couleur des yeux est presque entièrement génétique, alors que la taille l’est partiellement (la nutrition ou la maladie peuvent influencer la croissance d’un enfant). La sélection naturelle ne mène à l’évolution que si les différences qu’elle choisit sont causées par les gènes. Ainsi, la sélection de la couleur des yeux serait un processus plus rapide que celui de la taille des individus. Quant à la sélection par la couleur du vernis à ongles, eh bien, elle serait plutôt ardue, puisque l’hérédité des cosmétiques est proche de zéro… L’hérédité est un chiffre représentant la fraction de la variation d’une caractéristique donnée, par exemple la taille, qui résulte de la génétique plutôt que de l’environnement. Elle s’applique à une population particulière dans un environnement donné – ce n’est pas une comparaison de « nature contre nature », et l’hérédité ne peut pas prévoir grand-chose en cas de changements dans l’environnement. Si vous lisez un titre disant « La dépendance aux drogues dépend à 40 % des gènes », on ne rapporte qu’une mesure d’hérédité – probablement erronée.
La sélection naturelle agit sur les gènes, quoique les gènes ne soient pas les seuls responsables de nos différences.
L’hérédité des caractéristiques humaines est souvent mesurée en comparant des jumeaux. La logique sous-jacente est que des jumeaux non identiques partagent leurs parents, leur environnement et la moitié de leurs gènes, alors que des jumeaux identiques partagent leurs parents, leur environnement et la totalité de leurs gènes. La tendance qu’ont les jumeaux identiques à être plus souvent de la même taille que les nonidentiques représente une preuve de la variation génétique de la taille.
POLYMORPHISME
FRANCIS GALTON
1822–1911
Statisticien anglais qui développa le concept d’eugénisme et étudia le rôle des variations dans les populations humaines.
DOUGLAS FALCONER
1913–2004
Généticien anglais célèbre pour sa contribution à la génétique quantitative, l’utilisation des mathématiques afin de prévoir l’hérédité des traits.
Louise Johnson
Les jumeaux identiques sont très utiles dans l’étude de l’hérédité. Ils partagent 100 % de leurs gènes.
La biologie évolutive a démontré non seulement que les espèces varient avec le temps, mais aussi à quel point les membres d’une même espèce varient entre eux. L’idée selon laquelle il existait de rares variations à partir d’une espèce primitive fut contestée par les recherches sur des animaux qui présentaient des morphologies visiblement différentes: les espèces polymorphes. Parfois, les raisons de ce polymorphisme étaient évidentes: la phalène du bouleau, par exemple, dont les couleurs fournissent un camouflage efficace sur les troncs d’arbres couverts de lichen et de suie. Or souvent, les causes de ce polymorphisme étaient moins claires, comme dans le cas de l’escargot des jardins (Cepæahortensis) dont on ignore la fonction exacte des stries multicolores – elles peuvent servir de camouflage, tromper les prédateurs, ou les deux. Lorsque l’application des techniques de biologie moléculaire devint courante, elles dévoilèrent des degrés de polymorphisme insoupçonnés: l’empreinte génétique révéla bientôt la distinction entre deux individus (à l’exception des clones et des jumeaux) de n’importe quelle espèce (sauf quelques rares espèces consanguines comme les guépards). Le polymorphisme est la règle, non l’exception.
Les humains, comme la plupart des autres espèces, sont polymorphes: vous êtes unique, et tous les autres le sont!
La technologie moderne nous permet de révéler encore plus de polymorphisme que l’empreinte génétique nous le permettait: on peut dorénavant identifier des jumeaux identiques ou préciser la source d’une tumeur s’étendant à tout l’organisme d’un malade. Nous avons tous subi 60 nouvelles mutations inédites, mais ces mutations n’ont pour ainsi dire aucune influence sur notre aspect ou notre comportement.
BERNARD KETTLEWELL
1907–1979
Zoologiste anglais qui étudia les effets du mélanisme industriel chez la phalène.
Louise Johnson
Les jumeaux identiques ont les mêmes empreintes digitales. Les scientifiques ne connaissent pas tous les bénéfices apportés par certains effets du polymorphisme, par exemple chez l’escargot des jardins.
On utilise souvent le diagramme d’un animal qui ressemble à une girafe étirant le cou pour atteindre les hautes feuilles d’un arbre, alors que d’autres animaux, plus petits, la regardent faire, impuissants, pour illustrer la sélection naturelle. Voilà un exemple de la sélection directionnelle, la plus usuelle: un extrême se révèle utile, et donc la sélection naturelle opère un changement radical dans la population – dans ce cas-ci, des cous plus longs. La sélection stabilisante est un autre type de sélection, où ce ne sont pas les extrêmes qui sont favorisés, mais plutôt un juste milieu. Chez les humains, la sélection stabilisante agit sur le poids des nouveau-nés, puisque des bébés trop petits ou trop gros peuvent avoir des santés plus précaires. La sélection stabilisante provoque des changements plus subtils que la sélection directionnelle: ce sont les individus qui deviennent « plus moyens », ce n’est pas la moyenne qui change. C’est un phénomène commun dans la nature: une grenouille dont le camouflage n’est ni trop foncé ni trop clair survivra plus facilement. La sélection disruptive, où les deux extrêmes sont favorisés, beaucoup plus rare, est intéressante en ce qu’elle augmente les variations parmi les populations et provoque même des séparations en deux groupes divergents.
La survie du plus fort peut parfois signifier la survie du « plus moyen ».
Théoriquement, deux des types de sélection ou même les trois peuvent advenir en même temps dans une même population, si ces sélections agissent sur différents aspects de ladite population. Il en va de même de la sélection artificielle: un pomiculteur peut vouloir créer des pommiers au rendement maximal (sélection directionnelle) mais dont les fruits ont la même taille (sélection stabilisante).
CHARLES DARWIN
1809–1882
Naturaliste et biologiste anglais qui fut le premier à suggérer une forme de sélection dans son De l’origine des espèces.
Louise Johnson
Chez les girafes, la sélection peut favoriser de plus longs cous pour atteindre les feuilles les plus hautes; chez les grenouilles, elle peut favoriser des teintes de vert moins extrêmes, le camouflage devenant ainsi plus efficace.
Les gènes se répliquent, les cellules se divisent, les individus se reproduisent, les groupes se propagent et les unités se spécifient: la vie, telle que nous la connaissons, est un succès dans tous ces aspects. Mais sur quel élément – gènes, cellules, individus, groupes ou espèces – la sélection naturelle agit-elle? Pour la plupart des biologistes, l’unité de sélection est le gène. Les gènes sont la base de l’hérédité parmi toutes les autres unités, et ils se répliquent plus précisément. Les adaptations dont bénéficie un individu permettent aussi la prolifération de ses gènes, et les adaptations dont profitent les groupes (la danse des abeilles pour attirer leurs sœurs vers le nectar) sont expliquées par la sélection génétique: l’abeille qui favorise sa sœur favorise les gènes qu’elles partagent. Une vue d’ensemble des gènes nous aide à comprendre certaines caractéristiques déroutantes: par exemple, le fait que même si un seul mâle est nécessaire à la fertilisation de nombreuses femelles, la nature gaspille la moitié de ses ressources en créant autant de mâles. Bien des gènes, par ailleurs, se multiplient sans utilité, simplement en se divisant, se copiant ou en s’agglutinant autour des chromosomes. Ces gènes composent près de 50 % de l’ADN humain: 50 fois plus que ce que nécessite notre corps.
Les gènes produisent des abeilles pour produire plus de gènes. Les abeilles font des ruches pour faire plus d’abeilles. Il y a là reproduction – mais y a-t-il évolution?
Dans les organismes unicellulaires (la majorité des organismes, en fait), l’individu et la cellule forment la même unité. Par contre, les animaux sont une véritable « coopérative » de cellules: si une cellule se réplique indépendamment, il se forme un cancer. Résultat: les animaux ont évolué de façon à réduire les occasions d’évolution des cellules. Cela explique le fait que nos cellules ont des limites de reproduction intrinsèques.
WILLIAM D. HAMILTON
1936–2000
Biologiste de l’évolution anglais, célèbre pour ses travaux théoriques sur la sélection de parentèle et l’altruisme.
BARBARA MCCLINTOCK
1902–1992
Généticienne américaine et Prix Nobel de physiologie ou médecine en 1983.
Louise Johnson
La danse de l’abeille – qui mène les autres abeilles au nectar – est devenue possible grâce à une adaptation dont bénéficie la collectivité.
