La biologie évolutive va-t-elle parfois vers la simplification ?
Question d'origine :
Alors que le vivant évolue sur le long terme vers plus de complexité (de l'unicellulaire au dauphin), quel sont les exemples où la nature opère une simplification sur le très court terme ? sur le long terme ?
Réponse du Guichet
En biologie évolutive, les notions de complexité et de simplicité sont problématiques : certains organismes, d'une structures plus simples que les mammifères, ont un génome comparable, et un être unicellulaire sans système nerveux peut faire montre d'une cognition très complexe... On trouve toutefois de nombreux cas où des organismes ont pu adopter des organes plus simples que leurs ancêtres, pour s'adapter à leur milieu.
Bonjour,
Dans la théorie de l'évolution, le fait que les organismes mutent du plus simple au plus complexe sous la pression du milieu semble une évidence. Pourtant, la définition même de ce que serait une "complexité" opposée à une "simplicité" fait, en biologie, défaut.
Annick Lesne, dans Complexité du vivant, sélection naturelle et évolution, paru en 2008 dans la revue Natures sciences sociétés et consultable en bibliothèque sur Cairn, soutient ainsi "que la vie est née spontanément du monde physique, et que l’histoire à expliquer est bien une complexification et une diversification des formes et processus biologiques" mais qu'il n'y a "à l’heure actuelle pas de consensus sur la définition de la complexité d’un système, encore moins sur la façon de la quantifier". La pression évolutive est pour autant un processus historique où une infinie variété de possibles plus ou moins viables s'offrent aux espèces, entraînant, si nous comprenons bien le propos de la chercheuse, une sorte de réaction en chaîne de coadaptation avec leur milieu :
La sélection naturelle peut ainsi induire de multiples coévolutions et coadaptations, amenant par exemple les paramètres du système à se stabiliser conjointement sur des valeurs très spécifiques, ce qui correspondrait à une coïncidence hautement improbable si ces paramètres étaient des grandeurs indépendantes, comme c’est généralement le cas dans les systèmes physiques naturels. On observe en particulier ce que Thom (1975) avait appelé « la stabilisation des seuils », idée reformulée par Kauffman (1993) par l’expression « life at the edge of chaos ». En d’autres termes, la dynamique globale du système va l’amener dans un régime correspondant à une situation particulière, typiquement un point de bifurcation ou une situation de stabilité marginale, pour la dynamique d’un sous-système. Une illustration très convaincante en a été donnée par l’analyse très détaillée des cellules ciliées de l’oreille interne, qu’un schéma de rétroaction approprié au niveau des courants et canaux ioniques force à fonctionner au voisinage immédiat d’un point de bifurcation ; du point de vue adaptatif, la fonction de réponse dans ce domaine assure en effet une détection fiable des signaux sur une gamme d’amplitudes beaucoup plus grande (Camalet et al., 2000).
Ces évolutions et adaptations s’inscrivent dans un processus historique d’évolution de la biosphère, car elles sont souvent induites par des modifications de l’environnement et des écosystèmes, elles-mêmes engendrées par l’évolution des espèces qui les constituent. On voit ici apparaître une sorte de spirale évolutive : chaque évolution en appelle d’autres, et les coadaptations qui se mettent graduellement en place au long de ce processus correspondent à un accroissement répété de la complexité des organismes. Comme nous l’avions annoncé en introduction, c’est ainsi le caractère historique du monde vivant qui le rend irréductible au monde physique inanimé. Ce point n’épuise cependant pas le débat, et nous renvoyons par exemple à Polanyi (1968), Simon (1969), Anderson (1972) et, plus récemment, à Ellis (2005) pour d’autres éclairages sur la spécificité du vivant. Il est intéressant, pour conclure, de remarquer que cette importance de l’histoire, autrement dit l’impact sur les observations actuelles de la trajectoire particulière suivie par le systèmes parmi l’ensemble des possibles, se rencontre aussi en physique lorsqu’on se place à l’échelle de l’univers dans son ensemble : la répartition de la matière, la formation de planètes (dont la nôtre), la valeur même de ce qu’on appelle en physique les constantes fondamentales (par exemple, la constante de la gravitation universelle ou la constante de Planck) sont elles aussi le résultat d’une évolution adaptative.
Georges Chapouthier, dans la revue Pour la science, affirme pourtant qu'une contrainte du milieu entraîne dans certains cas une simplification de l'organisation d'êtres vivants :
L'évolution du vivant peut se faire du simple vers le complexe comme du complexe vers le simple. On observe, parmi les espèces vivantes, des espèces sédentaires ou parasitaires dont l'organisation est plus sommaire que l'organisation de leurs ancêtres. Ainsi des vers, tels les ténias sont dépourvus de tous les organes qui caractérisent habituellement un « animal » et se résument à une série de « sacs reproducteurs ».
L'auteur reconnaît toutefois qu'"Il est délicat de définir la « complexité » animale : rien ne permet d'affirmer qu'une pieuvre est plus ou moins complexe qu'une abeille". Certes, on peut considérer qu'une bactérie présente un schéma d'organisation plus simple qu'un mammifère marin, comme vous le suggérez, mais que dire d'un être comme le très médiatique blob, unicellulaire mais doté de nombreux noyaux, capable d'apprentissages, dont la reproduction repose selon France TV info sur pas moins de 720 sexes différenciés ?
(Source vidéo : Arte)
Au cours de l'évolution, il arrive qu'un organisme perde un organe, devenu inutile dans certains milieux. Ce qui, selon Marc-André Selosse et Bernard Godelle, dans un article du blog planet-terre.ens-lyon.fr, peut entraîner "d'étranges paradoxes, qui ne constituent pas toujours des progrès " :
Pis, la sélection s'exerçant sur certains caractères peut menacer l'existence même des espèces qui les expriment. C'est en particulier le cas des adaptations à un environnement restreint. Que penser de cette mouche des Kerguelen, Calycopteryx moseleyi, qui a perdu ses ailes ? En un sens, elle a « progressé » à l'échelle locale, car elle ne peut plus être entraînée hors de ces îles isolées par les vents forts qui les balaient. Mais elle ne peut pas non plus émigrer.
Si les îles Kerguelen disparaissaient, le « progrès adaptatif » de ces mouches serait fatal. Il en va de même pour les parasites qui se spécialisent sur un hôte unique – comme l'agent de la variole sur l'homme. Certes, ils optimisent ainsi l'exploitation de leur hôte, mais ils en deviennent dépendants au point que la disparition de cet hôte ou l'apparition de défenses très efficaces peuvent les éradiquer ! La spécialisation évolutive est donc un pari risqué, et le perfectionnement adaptatif dans un milieu peut rendre moins adapté à d'autres.
Les auteurs battent ensuite en brèche l'idée selon laquelle l'évolution va mécaniquement vers la complexification :
Cette conception était imprégnée de l'« échelle des êtres » d'Aristote, qui classait les organismes du plus simple au plus complexe. Encore en vigueur au début du XIXe siècle, elle est alors directement transposée dans un contexte évolutionniste. Et, jusqu'au XXe siècle, on considère que les organismes de plus en plus complexes sont apparus les uns après les autres au cours du temps. Or, la complexification n'est pas inéluctable en évolution. Nombre de formes simples sont en effet apparues secondairement, par une évolution simplificatrice.
Prenons l'exemple du coelome. Cette cavité remplie de liquide est présente chez presque tous les animaux à symétrie bilatérale : les insectes, les vertébrés (le coelome y renferme les viscères), les vers annélides… Il y a des exceptions, comme les vers plats (ou Plathelminthes), qui en sont dépourvus, et les nématodes, ou encore les rotifères, qui n'en ont qu'une ébauche. L'a priori d'une évolution complexifiante avait conduit à regrouper les animaux sans coelome en un ensemble « primitif », les « acoelomates », et ceux n'ayant qu'une ébauche de cavité en un groupe « intermédiaire », les « pseudocoelomates » qui auraient précédé les organismes complexes dotés d'un coelome.
Simplicité trompeuse
Mais des études phylogénétiques, fondées sur des comparaisons de gènes, ont complètement bouleversé cette vision : les trois groupes dérivent d'ancêtres dotés d'un coelome ! L'absence de coelome résulte d'une perte, une simplification. Une conséquence importante est qu'aucun organisme n'est « primitif » ou « évolué », ni « inférieur » ou « supérieur ». Toutes les espèces ont évolué aussi longtemps, et la simplicité cache parfois un parcours évolutif complexe. Il n'est que de considérer les baleines, qui ont perdu leurs membres postérieurs en redevenant aquatiques, ou l'homme, qui a perdu le pelage de ses ancêtres…
Stephen Jay Gould a consacré un remarquable ouvrage à réfuter l'idée de progrès dans l'histoire de la vie [8]. Il s'appuie entre autres sur le fait qu'il existe toujours des représentants actuels de phylums « simples » apparus à des périodes plus anciennes, et qui rencontrent encore un succès évolutif remarquable. Ainsi les poissons, apparus bien avant les mammifères et plus « simples » qu'eux, constituent plus de la moitié des vertébrés. Et que dire des bactéries et des unicellulaires, qui forment l'essentiel de la biomasse de la planète ! Autrement dit, plus de complexité ne laisse en rien présager un plus grand succès évolutif. Sans compter que chaque lignée évolue, comme nous l'avons vu, tantôt en se complexifiant, tantôt en se simplifiant.
Andrée Tétry, auteure de l'entrée "L'Être vivant" de l'Encyclopaedia universalis, donne des arguments à cette position, qu'elle va chercher cette fois-ci à l'échelle du génome :
La conservation au cours de l’évolution des structures et ultrastructures présentes dans le vivant témoigne de l’importance d'une organisation forte, liée à des structures moléculaires dont les associations sont hiérarchisées et dynamiques, caractères absents des objets inanimés. Si, par système complexe, on entend une combinaison de différentes parties organisées en structure(s) et possédant une dynamique propre, alors tout être vivant est un système complexe, notion certes intuitive, mais qui possède une réalité. La démarche analytique s’est imposée pour en appréhender les rouages. Comment peut-on effectuer la démarche inverse et intégrer ces connaissances en tentant de reconstituer l’origine et l’évolution de la complexité d’une cellule ou d’un organisme ? C’est le but des recherches dites de biologie de synthèse, qui combinent biologie et ingénierie.
Par ailleurs, sans entrer dans les contenus philosophique et épistémologique de la notion de complexité, on peut distinguer deux conséquences de l’application de cette notion au vivant. Tout d’abord, au cours de l’évolution, la complexité va-t-elle croissante ? Dans la seconde moitié du xixe siècle, l’idée s’est imposée que l’évolution des organismes partait du plus simple – par exemple, une hydre d’eau douce, sans parler des procaryotes – pour aller vers des organismes de complexité croissante, l’implicite étant que le maximum de complexité était atteint chez l’homme – comme par hasard, pourrait-on dire. L’étude des génomes a, sinon ruiné, du moins affaibli cette proposition. À titre d’exemple, on compte autant de gènes dans le génome d’un oursin que dans celui de l’homme et, en outre, une grande majorité de ces gènes sont identiques, ou codent pour des protéines de fonctions voisines. Simplement, ni les gènes ni les produits codés ne sont agencés de la même manière : une « mosaïque » de ces produits génère un oursin, une autre un lapin, une autre encore un homme... Il existe cependant des étapes d’augmentation de la complexité biologique. Ainsi, il faut au moins 473 gènes pour faire une bactérie (chiffre obtenu en fabriquant une bactérie minimale fonctionnelle en 2016), 5 000 pour une hydre et de 20 à 30 000 pour un oursin ou un chat. En d’autres termes, le nombre de gènes était plus ou moins fixé lors de l’explosion cambrienne des formes de vie… Il y a bien eu auparavant augmentation de la complexité génétique, sans doute par sauts brutaux (duplication ou fusion de génomes), mais une fois atteint un certain niveau, la sélection de mosaïques différentes a fait apparaître la diversité biologique.
Ensuite, cette complexité des êtres vivants renvoie, comme l’ont conclu les évolutionnistes Mayr et Simon en 1962, à « des systèmes où l'ensemble est plus grand que la somme des parties, non pas dans un sens ultime et métaphysique, mais dans le sens pragmatique important qu'étant donné les propriétés des parties et les lois de leurs interactions, il n'est pas facile d'en inférer les propriétés de l'ensemble ». De fait, le contenu de la cellule eucaryote contient de nombreux composants, structurés ou en solution, en équilibre dynamique. L’ensemble est brassé par un mouvement permanent, assuré par le cytosquelette. La hiérarchisation des structures est manifeste ; des structures variées ne sont fonctionnelles que lorsqu’elles sont placées dans un ensemble structuré. Seul le vivant possède ces caractéristiques. Cette dynamique est liée à la production et à l’utilisation d’énergie utilisable. Dans le cadre d’une théorie de la complexité, les multiples parties de la cellule ne fonctionnent comme systèmes complexes que du fait de la fourniture d’énergie dans l’espace clos et organisé qu’est le volume défini par la membrane cellulaire. Dans ces conditions, et ces conditions seulement, le tout présente une caractéristique particulière distincte de la somme de ses parties, qui s’appelle la vie. Ce simple constat résume la proposition de Mayr : les « parties » de la cellule ne sont pas seulement additives, leur somme fait apparaître un ordre qui les dépasse, celui du vivant.
N'étant que peu spécialistes en génétique de l'évolution, nous nous bornerons à citer des exemples de simplification ou de disparition d'organes. L'ouvrage Ma galerie de l'évolution [Livre] : le vivant de A à Z d'Hervé Le Guyader cite ainsi les crânes des primates : certains ont deux os frontaux, d'autres un seul. Le premier trait étant partagé avec d'autres mammifères, on suppose que "ce caractère est hérité d'un ancêtre commun aux primates et à nombre d'autres mammifères". Dès lors la simplicité de forme (la fusion des deux os frontaux) représente "un état dérivé", "une innovation" qui caractérise un groupe particulier de primates, les simiiformes (dont nous faisons partie).
L'auteur cite également le tétra mexicain (Astyanax mexicanus), un poisson d'eau douce dont une partie de la population, enfermée dans une série de grottes souterraines, ne possède plus d'yeux et présente une peau dépigmentée. Selon l'article "Evidence for late Pleistocene origin of Astyanax mexicanus cavefish" de Julien Fumey, Hélène Hinaux, Céline Noirot, Claude Thermes, Sylvie Rétaux et Didier Casane, paru en 2018 dans BMC evolutionary biology, l'isolement de ces poissons de leur population d'origine remonterait à 30 000 ans, ce qui est un un temps relativement court à l'échelle de l'évolution. Sylvie Rétaux, répondant à un reportage vidéo de lejournal.cnrs.fr sur ces recherches, nous éclaire sur les mécanismes rendant possibles ces adaptations rapides : "C'est très probablement qu'il n'y a pas eu besoin de mutations nouvelles" arrivées depuis que les poissons sont dans les grottes "mais que probablement, pour leur adaptation à la vie cavernicole, ils ont puisé dans le répertoire de polymorphisme et de diversité génétiques qu'il y avait dans les populations ancestrales de surface".
L'ouvrage Evolution [Livre] : la grande histoire du vivant/ Petra Brookes, Leon Gray, Dan Green... [et al.] ; sous la direction de Steve Parker, très accessibles et magnifiquement illustré, permet de découvrir de nombreux exemples de simplification morphologique : on citera les mammifères marins, la mutation de leurs pattes en nageoires ou encore l'évolution de leur forme vers un hydrodynamisme optimal. C'est ainsi que les cétacés ont vu leur bassin disparaître, et les dauphins acquis des silhouettes proches de celles des requins, animaux très anciens, puisqu'on en trouve déjà il y a 455 millions d'années. Ce qui montre que l'évolution peut conduire une espèce à des formes anciennes !
On peut également citer les pattes des équidés : il y a 56 millions d'années, apparaît Hyeacotherium, "herbivore de 60 cm dont les pattes antérieures reposaient sur quatre doigts ongulés et les postérieures sur trois". Au cours de l'histoire évolutive mouvementée qui s'en suit, les équidés firent face aux prédominances successives de la prairie et de la forêt en modifiant le nombre de leurs doigts, "une régression des doigts périphériques" emportant finalement la décision, de sortes que nos ânes, chevaux et zèbres ne possèdent plus qu'un doigt par patte.
La bouche des dinosaures, sur un temps très long, a également acquis une morphologie d'apparence plus simple, passant de ceci :
A cela :
Dans l'article L’évolution peut-elle simplifier?, sur le site Scilogs, le journaliste François Savatier cite également les structures du coeur des poissons à nageoires rayonnées, le cou des girafes, mais également la bipédie humaine. Il insiste cependant sur le fait que ces simplifications d'organes ou de fonctionnalités a entraîné la complexification d'autres... nous vous laissons lire l'article in extenso.
Dans l'article Evolution et complexité… Ce n’est pas simple ! sur le blog Café des sciences, on trouve d'intéressantes considérations sur homo sapiens :
L’homme est-il réellement plus complexe ? Au niveau de la cognition ça ne fait pas de doute. Mais l’homme a aussi perdu beaucoup de caractères au cours de son évolution : sur ces points il a donc perdu en complexité. Notamment les branchies (A History of Fish 1 : Sans mâchoires y a de l’espoir !), la queue, pas mal d’os du crâne, différents types de poils (l’homme n’a pas de « moustaches » ou vibrisses comme les souris ou les chats). On pourra me dire « oui mais l’homme a plus de caractères complexes que simples ». Le problème c’est que chaque caractère est indépendant des autres donc comparer des choses indépendantes n’a pas de sens.
L'auteur évoque également Trichoplax adhaerens, un placazoaire (classe d'animaux particulièrement simples ne présentant, selon Wikipédia, "ni symétrie, ni bouche, ni tube digestif, ni système nerveux, ni lame basale". Cette bestiole possède pourtant une richesse génétique difficilement explicable. Cela pourrait venir d'ancêtres plus complexes, même si ce n'est pas la seule hypothèse :
Mais que nous a révélé le génome de Trichoplax ? Que bien qu’il n’ait pas le plus complexe des génomes chez les animaux, il contient tout de même plein de gènes qu’on ne s’attendrait pas à trouver ici notamment des gènes du développement qu’on retrouve chez les autres eumétazoaires. Cela est étrange sachant que la morphologie est très simple chez cet animal mais qu’on retrouve un grand nombre de gènes responsables de la morphologie plus complexe des autres eumétazoaires chez Trichoplax ! Mais alors à quoi ça peut bien servir à notre timide Trichoplax ? Plusieurs hypothèses : soit l’ancêtre de Trichoplax était un animal déjà complexe qui s’est simplifié en gardant ses gènes, soit ces gènes avaient au départ une autre utilité que celle qu’on leur connaît aujourd’hui. Il est encore difficile de trancher mais cette complexité génétique de Trichoplax reste surprenante pour un animal morphologiquement si simple…
Dans cette science encore en devenir qu'est la biologie évolutive, il semble donc hasardeux de tenter de dégager une tendance qui s'appliquerait partout... on comprend alors pourquoi Léo Grasset peut parler d'un Grand bordel de l'évolution, et Carl Zimmer d'un Merveilleux bricolage.
Pour aller plus loin, nous vous conseillons d'ailleurs leurs ouvrages, ainsi que :
- L'évolution [Livre] : des faits aux mécanismes / Louis Allano, Alex Clamens
- 3 minutes pour comprendre les 50 plus grandes théories de l'évolution [Livre] / rédacteurs Mark Fellowes, Nicholas Battey ; contributeurs Brian Clegg, Isabelle De Groot, Julie Hawkins... [et al.] ; traduit de l'anglais par Michel Rudel-Tessier
- Biodiversité et évolution du monde vivant [Livre] / David Garon, Jean-Christophe Guéguen, Jean-Philippe Rioult ; préface de Jean-Marie Pelt ; illustrations Jean-Christophe Guéguen
- Les merveilles de l'évolution [Livre] / Jean Chaline, Didier Marchand
- Penser l'évolution [Livre] / Hervé Le Guyader
- Évolution [Livre] / Yves Coppens
Bonne journée.