Gènes voyageurs, alliances et sélection : comment le vivant se diversifie

Si les médecins évitent les antibiotiques « au cas où », c'est à cause d'une évolution qui se joue sous nos yeux : des bactéries deviennent résistantes. Certaines ont muté ; d'autres ont reçu le gène de résistance… d'une autre bactérie. Au-delà de la reproduction sexuée, le vivant emprunte, s'associe, trie, et forme de nouvelles espèces.

Des gènes qui passent d'un individu à l'autre

Un transfert horizontal fait passer de l'ADN d'un organisme à un autre sans reproduction, même entre espèces éloignées. Chez les bactéries :

• la transformation : une bactérie absorbe de l'ADN libéré par une bactérie morte ;
• la conjugaison : par un pilus, une bactérie transmet à une autre une copie d'un plasmide, petit ADN circulaire qui porte souvent des gènes de résistance ;
• la transduction : un virus de bactérie (bactériophage) emporte un fragment d'ADN d'une cellule à une autre.

Les eucaryotes aussi : environ 8 % de ton génome vient de rétrovirus intégrés il y a très longtemps. L'un de leurs gènes, devenu la syncytine, permet aux cellules du placenta de fusionner : un virus apprivoisé.

Des cellules nées d'une alliance : l'endosymbiose

Tes mitochondries descendent d'une bactérie (une alpha-protéobactérie) intégrée dans une cellule hôte il y a plus de 1,5 milliard d'années ; les chloroplastes des végétaux, d'une cyanobactérie. Arguments : deux membranes, un ADN circulaire propre, des ribosomes de type bactérien, une division par scission. La plupart des gènes de l'ancêtre ont été perdus ou transférés au noyau : l'ADN mitochondrial humain ne compte plus que 37 gènes.

Des associations qui diversifient sans changer les génomes

Une symbiose est une association durable entre deux espèces, à bénéfice réciproque. Plus de 80 % des plantes terrestres forment des mycorhizes : le champignon du sol apporte eau et sels minéraux, la plante des sucres. Le lichen associe un champignon et une algue ou une cyanobactérie. Les comportements appris se transmettent aussi : chants d'oiseaux, techniques de pêche aux termites des chimpanzés, qui diffèrent d'une population à l'autre.

Les populations évoluent : sélection et dérive

Le modèle de Hardy-Weinberg décrit une population idéale : très grande, à croisements au hasard, sans mutation, migration ni sélection. Si p et q sont les fréquences de deux allèles (p + q = 1), les génotypes ont pour fréquences p², 2pq et q², stables d'une génération à l'autre.

Exemple 1 : utiliser le modèle. Si, à l'équilibre, 4 % des individus ont le phénotype récessif, q² = 0,04, donc q = 0,2 et p = 0,8. Fréquence des hétérozygotes : 2 × 0,8 × 0,2 = 0,32, soit 32 %. Des comptages réels nettement différents signalent qu'une hypothèse du modèle n'est pas vérifiée : souvent, une force évolutive agit.

Deux forces majeures :

• la sélection naturelle : les porteurs de certains allèles survivent ou se reproduisent mieux dans un milieu donné, et ces allèles deviennent plus fréquents ;
• la dérive génétique : la variation aléatoire des fréquences, d'autant plus forte que la population est petite ; elle peut fixer ou éliminer un allèle par pur hasard.

Exemple 2 : la sélection en direct. Un antibiotique tue les bactéries sensibles ; les rares résistantes, par mutation ou par plasmide reçu, survivent et se multiplient, et la population devient en quelques jours majoritairement résistante. L'antibiotique n'a pas créé la résistance : il l'a triée.

De la population à l'espèce

Une espèce peut être vue comme une population d'individus suffisamment isolés génétiquement des autres populations. La spéciation commence souvent par un isolement géographique (bras de mer, montagne) : chaque population accumule ses mutations et subit sa propre sélection et sa propre dérive. Si, réunies, elles ne peuvent plus avoir de descendance fertile (chants différents, hybrides stériles…), l'isolement reproducteur est établi : il y a deux espèces.

La lignée humaine, un buisson

L'humain ne descend pas du chimpanzé : tous deux descendent d'un ancêtre commun qui vivait il y a 6 à 8 millions d'années selon les estimations, et leurs génomes diffèrent d'environ 1,2 % sur les séquences comparables. Notre lignée est un buisson : Toumaï (Tchad, environ 7 millions d'années), peut-être son plus ancien représentant connu ; Lucy (Éthiopie, 3,2 millions d'années) ; plusieurs espèces du genre Homo, souvent contemporaines. Les plus anciens fossiles d'Homo sapiens, à Jebel Irhoud (Maroc), ont environ 300 000 ans.

Exemple 3 : lire l'histoire dans les génomes. Les humains actuels dont les ancêtres ont vécu hors d'Afrique portent environ 2 % d'ADN néandertalien. Homo sapiens et Néandertal se sont donc croisés avec une descendance fertile : leur isolement reproducteur était incomplet. Disparus il y a environ 40 000 ans, les Néandertaliens vivent encore un peu en nous.

À retenir

• Les transferts horizontaux font circuler des gènes sans reproduction, même entre espèces.
• Mitochondries et chloroplastes descendent de bactéries intégrées par endosymbiose.
• Symbioses et comportements transmis diversifient le vivant sans modifier les génomes.
• Hardy-Weinberg décrit une population qui n'évolue pas ; la sélection naturelle et la dérive (forte dans les petites populations) modifient les fréquences des allèles.
• Isolement puis divergence peuvent aboutir à de nouvelles espèces ; la lignée humaine est buissonnante et métissée.

★ Pour aller plus loin

Au XIXᵉ siècle, dans l'Angleterre industrielle où la suie noircissait les troncs, la phalène du bouleau est devenue majoritairement noire : les oiseaux repéraient mieux les formes claires. En 2016, la mutation responsable a été identifiée : l'insertion d'un élément mobile d'ADN dans le gène cortex.

Le prix Nobel de médecine 2022 a récompensé Svante Pääbo pour le génome néandertalien et la découverte des Dénisoviens, lignée humaine identifiée par l'ADN d'un os de doigt.

Sources pour creuser

• Marc-André Selosse, Jamais seul. Ces microbes qui construisent les plantes, les animaux et les civilisations (Actes Sud, 2017).
• Yves Coppens, Le Genou de Lucy (Odile Jacob, 1999).
• YouTube : DirtyBiology (Léo Grasset), l'évolution avec humour ; Les Bons Profs, cherche « Hardy-Weinberg terminale ».
• lumni.fr et planet-vie.ens.fr.