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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. Renseignements
complémentaires sur les gènes de la respiration et de
la photosynthèse.
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.
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