La reconstruction / déconstruction fe l'arbre de vie

Les Indiens Haïda de la Colombie-Britannique croyaient que Raven (la Corneille), un être mythologique espiègle, après avoir créé la terre ex nihilo (à partir de rien), avait convaincu les premiers humains de sortir d'un coquillage de palourde pour recevoir le don du feu.

La tradition judéo-chrétienne, par contre, propose une création séquentielle des éléments vivants et non-vivants du cosmos — d'abord les plantes et les animaux, ensuite les humains.

Ce genre de récit de la création joue un rôle moral et inspirationnel vital dans toute culture. Il allège le fardeau de la mortalité et permet à notre espèce de revendiquer un coin, aussi petit soit-il, de l'immense univers indifférent. Se situant à des extrêmes opposés, chaque récit représente l'élément essentiel d'un système de croyance spirituelle basé sur la révélation. Il existe parallèlement un récit de l'histoire de la vie de l'univers accessible, du moins en principe, par la recherche scientifique. Mais ce récit fournit-il le confort spirituel ou une direction pour ceux qui en cherchent une? Pour ces derniers, où se trouvent les réponses aux questions anciennes sur l'origine de notre espèce?

Hormis les récits, la spiritualité et la culture, il est possible que les réponses se trouvent dans les minuscules organismes qui composaient la plus grande partie du paysage plusieurs milliards d'années avant l'apparition de la première femme ou du premier homme.

Chercher des réponses dans les plus petits organismes
Les gros organismes dotés d'éléments solides reconnaissables ont laissé dans les fossiles une trace que l'homme moderne utilise comme ressource et comme guide dans sa quête de réponses. Grâce à cette trace, nous arrivons à formuler, à tester et même, parfois, à prouver des théories évolutionnaires détaillées. Par exemple, cette approche nous permet d'étudier aussi bien l'origine de mammifères et d'oiseaux à partir de reptiles qui existaient il y a 150 à 300 millions d'années, que la séparation plus récente entre les humains, les chimpanzees et d'autres primates. Dans les sciences, pourtant, il ne suffit pas toujours de reculer de 300 millions d'années. Parfois il faut entreprendre un plus long voyage. En fait, avec mes collègues, je m'intéresse actuellement à des événements qui ont eu lieu dans un passé bien plus lointain - il y a environ 2 à 4 milliards d'années — et qui mettaient en jeu de minuscules cellules microscopiques présentant peu ou pas de caractéristiques morphologiques discernables. Pour nous aider à reconstruire l'histoire, nous nous intéressons, en particulier, aux origines des toutes premières cellules et à l'évolution de la complexité au niveau cellulaire.

Comment espérer reconstruire l'histoire de cette façon? Mon domaine de recherche, nommé habituellement « l'évolution moléculaire », est fondé sur la prémisse qu'il est possible de remplacer l'étude des fossiles par l'analyse d'une séquence de molécules, en particulier d'ADN. La logique de base est simple. Alors que deux espèces divergentes évoluent à partir d'un ancêtre commun, des mutations s'accumulent dans leurs gènes. Certaines de ces mutations auront un effet sur la fonction de la protéine ou ANR encodée par le gène et d'autres resteront neutres. Plus il y aura de divergence et plus les mutations s'accumuleront. Une plus grande accumulation de mutations provoquera une plus grande différence entre les gènes. Cette différence entre les gènes (ou plus précisément entre les séquences de gènes) permet de mesurer la divergence évolutionnaire. Le plus souvent, le dessin créé par ces différences est représenté sous forme d'arbre phylogénétique ou de généalogie — l'Arbre de vie. Par conséquent, nous arrivons à reconstruire les événements anciens responsables de la panoplie actuelle d'êtres semblables et dissemblables par l'isolement et le séquençage de gènes spécifiques de leur ADN.

La reconstruction de l'arbre de vie
Depuis la création de notre discipline au milieu des années 1960, la principale préoccupation des évolutionnistes moléculaires consiste à reconstruire ainsi des arbres phylogénétiques à partir de séquences de gènes. Depuis le début des années 1970, la plupart des chercheurs intéressés par l'histoire la plus ancienne de la vie, utilisent des séquences d'une seule sorte de gène, le SSU ANRr. La présence de ce gène dans tout organisme est bien documentée et l'on soupçonne qu'il accumule avec une régularité de métronome des mutations neutres. En fait, des bases de données de sources publiques contiennent actuellement près de 10 000 versions de la séquence de ce gène, représentant des organismes aussi divers que le E.coli et l'éléphant.

L'analyse de toutes ces données nous permet de dessiner un arbre énorme à ramifications multiples à partir de trois branches centrales. L'étude de cet « Arbre de vie » démontre que tout organisme vivant se situe sur l'une de ses trois branches; ce sont soit des eucaryotes, soit des procaryotes, qui se divisent à leur tour en deux sous-catégories : les procaryotes simples et les archaeobactéries. Les eucaryotes sont les plus connus des deux puisque la plupart des formes de vie assez grandes pour être visibles tombent dans cette catégorie. Ils se distinguent par la présence d'un noyau, délimité par une membrane, qui entoure l'ADN, le matériel génétique ou schéma directeur de la cellule. Chez le procaryote, par contre, l'ADN reste en contact libre avec le reste du contenu de la cellule. Il est certain que les premiers eucaryotes (des cellules simples comme des amibes) se sont développés à partir de procaryotes plus élémentaires. La recherche géochimique laisse penser que ceci a eu lieu il y 2 ou 3 milliards d'années.

Parmi les procaryotes, nous connaissons bien déjà les bactéries. Celles-ci sont responsables de certaines de nos maladies les plus dévastatrices (la peste, la tuberculose, la fasciite nécrosante). Par contre, elles sont indispensables pour certaines fonctions écologiques essentielles (la décomposition, le recyclage du carbone, de l'azote et de l'oxygène) Archaea. Le groupe le plus surprenant, doté de certains caractéristiques biologiques inattendus, est celui des archaeobactéries. Certaines sont capables de se manifester à des températures atteignant 115 degrés Celsius (sous la mer); certaines sont éliminées par la moindre trace d'oxygène; d'autres ne prospèrent que dans un milieu saturé de saumâtre.

La dernière catégorie d'archaeobactéries, les halophiles, est depuis longtemps une spécialité canadienne. Al Matheson et Mak Yaguchi au Conseil national de recherches, et Donn Kushner de l'Université d'Ottawa, se sont lancés dans l'étude de l'écologie et la physiologie des halophiles avant même la révélation de leur rang évolutionnaire. La première tentative de comprendre leur composition biochimique, grâce aux outils génétiques modernes, a été entreprise dans mon laboratoire à l'Université Dalhousie et dans celui de Pat Dennis à l'Université de la Colombie-Britannique.

La reconstruction de l'arbre phylogénétique au moyen de données sur le SSU ANRr nous a montré comment les cellules complexes des eucaryotes pouvaient se développer à partir des antécédents procaryotiques plus simples. Aujourd'hui, l'eucaryote est communément tenu pour la chimère de l'évolution (d'après le monstre de la mythologie qui possédait la tête du lion, le corps de la chèvre et la queue du serpent). Cela veut dire que les milliers de gènes qui composent le génome eucaryotique proviennent à l'origine de sources procaryotiques différentes. Les gènes responsables de processus héréditaires essentiels et de l'expression des données héréditaires (le « matériel » de la cellule) proviennent des archaeobactéries. Les gènes responsables d'au moins deux processus essentiels pour la production de l'énergie — la respiration et la photosynthèse (que l'on pourrait appeler le « logiciel ») sont d'origine bactérienne.

Pour les évolutionnistes moléculaires, la plus grande surprise des années récentes est la découverte que les bactéries et les archaeobactéries sont elles-mêmes chimériques (dérivées de sources procaryotiques diverses). Cette révélation est le fruit de l'achèvement de plus de 36 séquences de génomes bactériens et archaeobactériens, chacune composée de 500 à 5 000 gènes. Tous ces gènes ne produisent pas du tout le même arbre phylogénétique que le SSU ARNr.

La force motrice de l'évolution
Il est évident que l'emprunt de gènes entre lignées (d'une sorte de bactérie à une autre, d'archaeobactéries aux bactéries, ou de l'une ou l'autre aux eucaryotes) a joué un rôle essentiel dans le processus de l'évolution. Dans certains groupes, il semble que ce soit l'emprunt de gènes et non pas la mutation qui est à la source de l'innovation fonctionnelle et par conséquent la vraie force motrice de l'évolution. Parmi les principales conséquences directes de ceci pour l'homme se trouvent la croissance de la résistance antibiotique des bactéries pathogéniques connues (due quasi intégralement au transfert) et la parution de nouveaux pathogènes (tels que le E.coli 0157:H7) — souvent le résultat du transfert de gènes promoteurs de virulence que l'on nomme « ilôts de pathogénicité ».

De nouvelles idées pour un nouveau siècle
Selon Charles Darwin (1809 - 1892) le célèbre naturaliste et évolutionniste anglais, la meilleure représentation de l'histoire du monde serait un arbre phylogénétique unique. Ce serait également la meilleure façon de représenter les schémas de ressemblance et de diversité apparentes dans des organismes contemporains.

Aujourd'hui, à l'aube du 21e siècle, convient-il d'adopter une nouvelle optique? Est-ce que notre modèle de l'Arbre de vie demeure aussi pertinent et fructueux que nous le pensions autrefois? Il est possible que non. Si des gènes différents ont évolué dans des sens différents il sera impossible de reconstruire un arbre phylogénétique unique à partir de séquences génétiques. Dans le cas des bactéries et des archaeobactéries il conviendrait mieux de représenter leur historique par une toile ou un filet plutôt qu'un arbre. Dans un sens, l'évolution des bactéries et des archaeobactéries est comme celle d'une espèce globale unique qui serait caractérisée par un rhythme d'échanges génétiques extrêmement variable et généralement lent. Il est vrai que cette hypothèse a été proposée il y a environ 30 ans par Sorin Sonea, microbiologiste à l'Université de Montréal, mais à l'époque les implications d'une telle thèse semblaient par trop radicales et il existait trop peu de preuves pour la soutenir.

Que nous réserve l'avenir?
Dans mon laboratoire à l'Université Dalhousie nous nous consacrons entièrement aujourd'hui à l'élaboration d'un modèle de toile ou de filet. Nous sommes en train de vérifier la validité et d'explorer les implications d'une telle thèse par l'acquisition et l'analyse de données génomiques (de génomes entiers). Il est important d'élucider tous les paramètres généraux qui affectent le transfert de gènes — la relation et le degré de proximité physique entre les partenaires impliqués; les mécanismes génétiques en jeu; les catégories de gènes susceptibles d'être échangés ou pas; les pressions sélectives qui déterminent l'intégration de nouveaux gènes; les conséquences sur les fonctions des gènes subsistants.

Quels sont les résultats que nous espérons obtenir? Sur le plan pratique, nous espérons arriver à comprendre la propagation de la résistance antibiotique et pathogénique, dans un cadre expérimental-théorique qui engloberait également les micro-organismes qui nous sont bénéfiques (dans un milieu aussi bien pollué que naturel). Sur le plan philosophique, nous cherchons à savoir comment le transfert génétique menace le concept même d'espèces. En général, nous voulons mieux appréhender la fréquence et le pouvoir du transfert génétique. À l'heure actuelle, trop des données proviennent de sources anecdotales ou ambiguës.

Ce genre de recherche élémentaire peut paraître à certains comme ésotérique. Je préfère la considérer comme fondamentale. Je me sens privilégié d'avoir pu consacrer la plupart de ma carrière à construire cette fondation, assisté par des collègues qui sont parmi les plus brillants et les plus dévoués du monde — biologistes, chimistes, généticiens et mathématiciens — dont beaucoup de Canadiens et, à ma grande satisfaction, beaucoup de mes propres étudiants et candidats post-doctoraux.

Toutes nos connaissances et nos recherches dans le domaine de la biologie sont fondées sur la structure des connaissances antérieures, que nous transmettons à nos étudiants et appliquons dans différents contextes pratiques. Il ne s'agit pas d'une structure statique. Alors que la science construit sur ce qui précède, l'exploration plus détaillée aujourd'hui de connaissances établies fait que parfois celles-ci sont renversées. C'est ainsi que je crois et j'espère que nous commençons à comprendre les premiers milliards d'années de l'histoire de la vie et la structure du monde microbial — d'alors et de toujours.