Evolution 101 : Sélection naturelle

Le billet Evolution 101 de cette semaine est rédigé par un groupe interdisciplinaire de BEACONites, qui s’appuient tous sur les principes de la sélection naturelle dans leurs recherches : Nikki Cavalieri, étudiante diplômée de MSU (zoologie), Prakarn Unachak, postdoc de MSU (calcul évolutif), et Patrick Wanko, étudiant diplômé de NC A&T (ingénierie des systèmes industriels &).

Si les animaux sont étroitement adaptés à leurs habitats, pourquoi voyons-nous des chevauchements ?

Par exemple, les rainettes grises (Hyla versicolor) et les rainettes vertes (Hyla cinerea) du sud des États-Unis semblent être écologiquement équivalentes. Les deux espèces se nourrissent d’insectes, vivent sur la végétation et pondent leurs œufs dans de petites mares. Alors pourquoi n’y a-t-il pas une seule espèce ?

Bien que les rainettes grises et les rainettes vertes semblent occuper le même habitat, en regardant de plus près, nous pouvons voir que, bien que leurs aires de répartition se chevauchent, les rainettes grises vivent plus au nord que les rainettes vertes. Nous pouvons également constater que les rainettes grises préfèrent les zones boisées avec des mares temporaires, tandis que les rainettes vertes préfèrent les zones humides plus ouvertes avec des quenouilles et d’autres végétaux aquatiques.

Sur un arbre dans une zone boisée, la rainette grise est beaucoup plus difficile à détecter.

Dans une zone humide, la situation est inversée.

Qu’est-ce que la sélection naturelle ?

La sélection naturelle est le processus dans la nature par lequel les organismes mieux adaptés à leur environnement ont tendance à survivre et à se reproduire davantage que ceux qui sont moins adaptés à leur environnement.

Par exemple, les rainettes sont parfois mangées par les serpents et les oiseaux. Les rainettes grises se fondent bien dans les zones boisées sombres sur l’écorce des arbres et les rainettes vertes se fondent bien dans la végétation verte des marais et des marécages. Une rainette verte sur l’écorce d’un arbre est plus facile à trouver pour un prédateur qu’une rainette verte sur une feuille verte. Ainsi, les rainettes vertes qui vont dans des habitats où elles ne sont pas camouflées sont plus susceptibles d’être mangées par des prédateurs. Comme les rainettes qui ont été mangées ne vivent pas pour avoir d’autres bébés rainettes, la sélection naturelle a favorisé les rainettes qui vivent dans des habitats où elles sont plus camouflées.

Ceci explique la répartition des rainettes grises et vertes. L’habitat boisé de la rainette grise est plus vaste et s’étend plus au nord, tandis que l’habitat marécageux et marécageux de la rainette verte est concentré dans le sud. Dans la zone où les rainettes grises et vertes se chevauchent, les deux habitats sont présents mais à des endroits différents.

Cependant, la sélection naturelle ne va pas toujours vers l’optimum. Elle ne va que vers ce qui fonctionne. Par exemple, les lapins sont des herbivores, qui ont une fermentation intestinale postérieure (fermentation des aliments après leur passage dans l’estomac). Ils possèdent un organe spécial appelé caecum qui les aide à digérer leur nourriture. Contrairement à d’autres animaux, le caecum du lapin est situé trop loin dans les intestins du lapin pour que celui-ci puisse tirer tous les nutriments de sa nourriture. Ainsi, lorsque les aliments digérés sont expulsés du corps, ils contiennent encore une grande quantité de nutriments. Pour compenser la perte de ces nutriments, les lapins sont coprophages (ils mangent leurs propres boulettes fécales). Il existe deux types de boulettes fécales : 1) les boulettes qui ont été digérées une seule fois, qu’ils placent dans une latrine spéciale pour les consommer plus tard, et 2) celles qui ont été digérées deux fois et qui ne sont pas stockées. Les lapins ont évolué pour tirer un maximum de nutriments de leur nourriture malgré une disposition non optimale de leurs organes digestifs.

Pour être plus général, la sélection naturelle est un processus qui fait que certains animaux et plantes présentant certaines caractéristiques sont mieux adaptés que d’autres à leur environnement naturel. Ces plantes et ces animaux ont alors plus de chances de survivre, de se reproduire et d’augmenter davantage leur population que ceux qui sont moins adaptés à leur environnement. Les plantes et les animaux les mieux adaptés sont donc capables de transmettre leurs caractéristiques avantageuses (codées par les gènes) à leur progéniture par héritage.

Cependant, les gènes ne sont pas toujours transmis à la progéniture sous la même forme exacte que les gènes des parents. Le changement de la séquence d’un gène peut se produire par deux mécanismes connus sous le nom de croisement et de mutation.

Croisement ? Mutation ? Qu’est-ce que c’est ?

Nous ne pouvons pas voir les gènes à l’œil nu, mais nous pouvons observer leurs produits à travers des traits physiques, appelés phénotype (type de cheveux, couleur des yeux/de la peau, sexe…). Gregor Mendel, le « père de la génétique moderne », a fait des expériences sur des plants de pois entre 1856 et 1863. Mendel a montré qu’en fertilisant une plante de pois verts de forme donnée avec le pollen d’une plante de pois jaunes de forme différente, on obtenait une variété de pois verts et jaunes de formes diverses. Les pois qui en résultent partagent leur couleur ou leur forme avec les pois d’origine. Ce que Mendel a fait est aujourd’hui appelé pollinisation croisée, et le fait que les pois résultants partageront certains traits communs est dû à l’héritage.

Les gènes sont regroupés sur les chromosomes. Pour que le croisement se produise, il faut deux chromosomes qui échangent du matériel. Une mutation, quant à elle, est un changement ou une erreur au sein d’un gène ou d’un chromosome qui peut entraîner une modification des fonctions et des expressions génétiques. Lorsque cette erreur se produit, elle modifie un gène qui peut changer le phénotype de la plante ou de l’animal, ce qui peut être plus qu’un simple changement d’apparence. Les mutations peuvent impliquer des délétions, des duplications, des insertions, des inversions ou des translocations de sections de la séquence génétique. Les mutations et les croisements fournissent la matière première avec laquelle la sélection naturelle peut travailler en créant des variations parmi les organismes.

Comment obtient-on autant d’organismes différents par sélection naturelle ?

La sélection naturelle fait que des organismes aux caractéristiques différentes (causées par des mutations et des croisements) prospèrent dans des environnements différents. Outre la rainette verte et grise (notre exemple ci-dessus, qui montre une adaptation par le camouflage), il existe de nombreuses façons dont la sélection naturelle façonne les organismes :

• Certaines bactéries peuvent vivre à des températures de 60°C (140°F) et plus. Une espèce, Methanopyrus kandleri, peut même prospérer sous une chaleur extrême allant jusqu’à 120°C (248°F) ! D’autres bactéries s’adaptent également à des environnements apparemment inhospitaliers – acides, radioactifs, ou sous les profondeurs de la mer, où il n’y a pas de source de nourriture conventionnelle. Quel que soit le degré d’hostilité d’un environnement, il est très probable que vous trouverez une sorte de micro-organismes évolués pour y vivre.
• Les pingouins, à première vue, sont des oiseaux qui ne peuvent pas voler, ce qui ne semble pas en faire de bons candidats à la survie. Cependant, à la place du vol, les manchots se sont adaptés pour être des maîtres nageurs, ce qui les avantage grandement pour trouver de la nourriture et échapper aux prédateurs. De plus, en Antarctique, et dans d’autres endroits où vivent les manchots, il n’y a pas de prédateurs naturels sur la terre ferme, et la perte de la capacité de voler n’est donc pas un désavantage. Il existe d’autres oiseaux incapables de voler, et tous se sont adaptés pour compenser leur absence de vol d’une autre manière. Soit en étant un coureur rapide (autruche), en se cachant bien (râle invisible), ou en étant capable de se défendre efficacement (Cassowary).

• Certaines plantes, comme le piège à mouche de Vénus, sont carnivores. Habituellement, les plantes obtiennent de l’azote, un élément chimique vital pour la survie d’une plante, à partir du sol par le biais de leurs racines. Ces plantes, cependant, poussent généralement dans des zones où le sol manque d’azote. Elles ne peuvent pas obtenir suffisamment d’azote en le prélevant simplement dans le sol. Afin de prospérer dans un tel environnement, ces plantes carnivores capturent les insectes dans des feuilles en forme de piège. Ces insectes deviennent une source alternative d’azote pour la plante lui permettant de survivre dans un habitat pauvre en azote.

Les environnements changent au fil du temps et la sélection naturelle agit sur la diversité génétique des espèces. Les individus ayant des traits mieux adaptés au nouvel environnement ont une descendance plus nombreuse. Après de nombreuses générations dans ce nouvel environnement, la population actuelle peut ne pas ressembler à ses ancêtres car la sélection naturelle les a modifiés – ils ont évolué – pour survivre dans ce nouvel environnement.