Le hasard ne fait pas forcément bien les choses: il les fait, c’est tout. Pas à pas, mutation génétique après mutation génétique, il produit d’infinies variations sur le thème du vivant. Le tribunal de la sélection naturelle permet ensuite à ces modifications de l’ADN de se répandre ou les condamne à disparaître, selon l’humeur du moment.

Lorsque Charles Darwin a exposé la théorie de l’évolution, il y a 150 ans, il lui manquait ce mécanisme de base. Celui qui entraîne ce qu’il appelait la «descendance avec modification». La découverte de la génétique et de l’ADN a remédié à cette lacune. Mais on découvre aujourd’hui encore de nouveaux rouages de l’évolution: transferts horizontaux, gènes sauteurs, épigénétique. Décryptage d’un système fascinant.

Loterie dactylographique

Lorsqu’on fait une copie, on fait des fautes. Surtout si le texte original fait 3 milliards de caractères – de paires de caractères même – comme l’ADN humain. Chaque fois qu’une de nos cellules et son code génétique sont dupliqués, il y a des erreurs. Il peut s’agir d’une lettre ou de tout un passage qui est faux, inversé ou répété. «Ces mutations surviennent au hasard mais aussi sous l’effet d’agents mutagènes, des virus, le soleil ou des produits chimiques, comme la cigarette», rappelle Virginie Népoux *, du Département d’écologie et d’évolution de l’Université de Lausanne.

L’erreur de copie entraîne parfois la mort de la cellule, mais elle peut aussi la modifier. Et si la mutation survient dans les cellules germinales, qui produisent les cellules reproductrices, les gamètes, elle est susceptible de se transmettre à la génération suivante. «Dans un gamète, chaque caractère de l’ADN a en moyenne une chance sur cent millions d’être modifié», explique Stylianos Antonarakis, du Département de médecine génétique et ­développement de l’Université de Genève. Chaque ovule ou spermatozoïde véhicule donc en théorie 30 lettres mutées.

Ces changements infimes n’ont souvent pas d’effet perceptible. Mais il y a aussi des mutations uniques qui sont spectaculaires. «Surtout si on touche aux gènes du ­développement embryonnaire», souligne Virginie Népoux. C’est le cas de la mutation antennapedia, induite en laboratoire sur la mouche du vinaigre, qui transforme les antennes en pattes.

Tremblements chromosomiques

«Mais cela ne fait pas encore une nouvelle espèce, fait remarquer Denis Duboule, du pôle Frontiers in Genetics. Les petites mutations entraînent une micro-évolution. J’ai toutefois de la peine à croire que c’est ce qui mène à la spéciation. Il s’agit probablement de quelque chose de beaucoup plus important: un véritable tremblement chromosomique, des chromosomes qui se cassent ou se recombinent.»

Il cite en exemple un événement survenu après la séparation de la lignée de la mouche de celle des vertébrés. Au début du développement de l’embryon de l’un des ancêtres des vertébrés, les chromosomes se sont dupliqués mais ne se sont pas séparés pour former deux cellules distinctes. Il s’est donc retrouvé avec deux fois plus de chromosomes. Cette anomalie s’est produite deux fois, si bien que les vertébrés ont hérité jusqu’à quatre copies d’un même gène.

«La mouche a environ 15 000 gènes, l’homme environ 25 000, souligne le spécialiste. Nous n’avons donc pas tout conservé en quatre exemplaires. Quand vous avez plusieurs copies d’un gène, vous en perdez certaines mais cela permet aussi de faire de l’innovation! Si un gène produit de l’insuline et qu’il mute, c’est embêtant. Mais s’il y a plusieurs copies de ce gène, cela ouvre de nouvelles possibilités.» Pour Denis Duboule, ces épisodes ont dû favoriser l’évolution de formes de vie très complexes.

Marche ou crève

Que les bouleversements génétiques soient grands ou petits, il faut pour qu’ils persistent qu’ils passent entre les mailles de la sélection naturelle. Quand on fait une faute de typo, le résultat est en général moins bon que l’original et finit rapidement à la poubelle. Mais une mutation peut aussi être neutre, voire avantageuse. C’est la sélection naturelle qui fait le tri. Les pressions externes (ressources alimentaires limitées, prédateurs, changements climatiques, etc., LT du 11.08.2009) éliminent les individus porteurs d’un handicap. Mais elles favorisent aussi la survie et donc la reproduction de ceux qui présentent une nouveauté avantageuse. La girafe qui, au hasard des mutations, naît avec un cou plus long que les autres pourra atteindre des feuilles plus hautes. Elle aura donc plus de chances de s’en sortir et d’avoir une progéniture. La mutation va se répandre via ses descendants et, à terme, devenir la norme. Mais tout n’est pas noir ou blanc. Certaines mutations sont avantageuses dans certains cas, pas dans d’autres. «C’est le cas d’un gène qui, hérité des deux parents, provoque une forme d’anémie répandue en Afrique, illustre Stylianos Antonarakis. Mais si l’enfant n’a hérité que d’une seule copie du gène, il sera au contraire avantagé pour lutter ­contre les complications de la malaria.» La sélection naturelle ne va donc ni éliminer ni généraliser cette mutation.

D’autres gènes ne sont avantageux que s’ils sont rares, relève Virginie Népoux. C’est le cas des molécules à la surface des cellules qui permettent au système immunitaire d’identifier ces dernières comme faisant partie de l’organisme. Si ces molécules sont rares dans une population, les virus et les bactéries auront plus de peine à infecter l’hôte. Elles vont donc se répandre… jusqu’à n’être plus rares. Mais elles ne seront dès lors plus avantageuses et leur fréquence va à nouveau baisser sous l’effet de la sélection naturelle. Et ainsi de suite.

«Il y a aussi des traits qui sont handicapants et que l’on doit traîner parce qu’ils sont indissociables au niveau moléculaire de traits fondamentaux», souligne Denis Duboule. Des sortes d’effets collatéraux. Le généticien rappelle en outre que la sélection sexuelle a favorisé le développement de caractéristiques aussi absurdes que la queue du paon ou des bois de cerf de 4,5 mètres d’envergure. Si elles ne facilitent pas la survie, au contraire, elles ont permis à leurs porteurs d’attirer plus de partenaires et se sont donc répandues.

De toute façon, ce qui est avantageux à un moment et un endroit donnés ne l’est pas forcément plus tard ou dans la vallée d’à côté. Des populations de la même espèce évoluent donc différemment selon les conditions dans lesquelles elles vivent. Jusqu’à ce qu’elles deviennent deux espèces distinctes, c’est-à-dire trop différentes pour se ­croiser et produire des individus fer­tiles.

Facéties de la vie, du sexe et de la mort

Mais les organismes évoluent aussi sans pression extérieure. «On a tendance à penser que tous les traits sont adaptatifs, c’est clairement faux», commente Virginie Népoux. Qu’une mutation se répande ou pas est souvent dû au hasard. Le hasard qui fait que le porteur de cette mutation ne se reproduit pas, qu’il meurt accidentellement avant d’avoir pu se reproduire ou qu’un gène, par la loterie de la reproduction sexuée, n’est pas transmis à ses descendants. Les mutations neutres, notamment, ni avantageuses, ni désavantageuses, se baladent dans le génome d’une population au gré des facéties de la vie, de la mort et du sexe. Cette dérive génétique participe aussi à l’évolution des ­espèces. Il est d’ailleurs difficile de déterminer quelle part est due à un processus d’adaptation plutôt qu’au hasard.

Auto-stoppeurs de la galaxie génétique

Mais les mutations ne sont pas la seule source d’innovation. «Les mitochondries [ l’usine à énergie de la cellule ] étaient très probablement à l’origine des bactéries qui ont envahi les organismes vivants», rappelle Denis Duboule. Des êtres, même très différents, se passent en outre de l’ADN. Le génome de la vache, par exemple, contient un bout de génome de serpent, arrivé là apparemment par ce qu’on appelle transfert horizontal. Il semble que des virus jouent les passeurs, copiant et collant des morceaux de génome différents. Ils laissent aussi traîner leur propre séquence. «Près de la moitié de notre ADN est constitué de transposons, des bouts de séquences mobiles capables de sauter d’un endroit à l’autre du génome, relève Virginie Népoux. Certains sont des reliquats de virus, mais pas tous.» Parmi ces passagers clandestins, on trouve toutefois beaucoup de vestiges de rétrovirus, semblables au VIH, parce que ceux-ci insèrent leur code génétique dans celui de leur hôte pour le faire répliquer par la cellule. Certaines de ces séquences virales – comme le gène syncytin, vital pour la formation du placenta – ont désormais une fonction au sein du génome humain.

«Suivant où ils se placent, les transposons peuvent aussi provoquer des mutations ou modifier l’expression des gènes», poursuit la biologiste. Sont-ils strictement délétères ou participent-ils aussi au processus évolutif? «C’est un champ de recherche fertile, répond Denis Duboule. Je pense que d’ici cinq à dix ans, on découvrira à quoi servent ces envahisseurs. On constate en tout cas que chez beaucoup de vertébrés, il n’y a pas de transposons dans certaines zones du génome qui sont trop fragiles, comme les gènes du développement embryonnaire. C’est trop dangereux, parce qu’ils sont capables de provoquer des bouleversements majeurs, en favorisant des erreurs chromosomiques.»

Réglages fins

Un des prédécesseurs de Darwin, Jean-Baptiste de Lamarck, postulait la transmission des caractères acquis: la girafe a tellement tiré sur son cou pour atteindre les feuilles plus hautes qu’il s’est allongé. Et ses descendants ont ainsi eu un cou de plus en plus long. Darwin n’excluait pas ce mécanisme mais le jugeait secondaire. Avec la découverte de la génétique, ses successeurs l’ont totalement écarté: une caractéristique acquise pendant la vie d’un individu ne peut pas être transmise à ses enfants parce qu’elle n’est pas inscrite dans son génome.

Mais les scientifiques sont en train de revenir sur ce point avec la découverte de phénomènes appelés épigénétiques, littéralement «autour du gène». «Il s’agit de changements qui affectent l’expression des gènes, sans modifier la séquence», explique Ariane ­Giacobino, du Département de médecine génétique et développement de l’Université de Genève. Comme des variations sur l’interprétation d’une même partition de musique.

On a constaté que des femmes ayant souffert de malnutrition donnaient naissance à des enfants chétifs, qui eux-mêmes, pourtant nourris normalement, avaient une progéniture plus chétive. La tête de certains crustacés change sous l’influence d’une substance chimique libérée par leur prédateur et prend la forme d’un casque pointu. Même dans un environnement sans danger, leurs descendants auront le même casque. Pour l’instant, ces phénomènes n’ont été observés que sur deux ou trois générations.

Leurs mécanismes de transmission sont en outre encore mal connus. Faut-il considérer l’épigénétique comme un nouveau rouage de l’évolution? «Oui, mais à court terme, répond Ariane Giacobino. Comme ils sont réversibles, ces changements ne vont pas forcément s’inscrire dans la durée. Cette flexibilité permet toutefois l’adaptation même au cours d’une vie, ou de quelques générations.» Denis Duboule ajoute qu’il y a chez les plantes des variétés qui sont différentes depuis des centaines de générations à cause de facteurs épigénétiques.

«Je crois qu’on ne connaît pas encore toutes les règles, la théorie doit encore être développée, dit Stylianos Antonarakis. Il faut être ouvert aux surprises. La génétique explique beaucoup de choses, mais pas tout.»

*L’évolution du vivant expliquée à ma boulangère, de Virginie Népoux, Ed. In Libro Veritas, 105p.

Demain: Pourquoi s’acharner à pratiquer le sexe