11. théories contemporaines de l'évolution

Lewontin, par exemple, avant de réfuter Kimura, tente de montrer que le neutralisme est une reformulation de la position « classique » et tombe sous des objections semblables (The genetic basis of evolutionary change, Columbia UP, 1974). Sur cette histoire, cf. Gayon J., Darwin et l’arpès Darwin, Paris, Kimé, 1992. De manière générale cet ouvrage propose une appréciation historique et philosophique essentielle du neutralisme, mis en perspective dans l’histoire de l’évolutionnisme, dans laquelle les thèses du présent article s’inscrivent pleinement.

Dès qu’il y a une population d’individus, dotés des propriétés d’hérédité et de variation, alors il y a sélection naturelle. Suite à la redécouverte des lois de Mendel et à l’essor de la génétique au début du siècle, le processus de sélection naturelle a été réinterprété dans le cadre de la génétique. Darwin avait parlé de variations en faisant référence au constat empirique qu’il y a des différences héritables, que les individus d’une population diffèrent et que leurs descendants diffèrent entre eux. La génétique donne une explicationcausale de cette « variation ». Les gènes sont le substrat de l’hérédité. Des individus ont des génotypes – ensemble de gènes codant pour des traits – différents. Ils transmettent ces gènes à leurs descendants (pas le génotype entier, sauf en cas de reproduction asexuée ; dans l’immense majorité des cas il y a reproduction sexuée, et le génotype est recombiné à chaque génération, c’est pourquoi les descendants d’un même parents sont génétiquement différents). Les phénotypes (expressions du génotype en traits physiologiques et morphologiques et comportementaux) ont des performances différentes en termes de reproduction. La sélection naturelle sélectionne en quelque sorte les phénotypes, et il en résulte un changement dans les gènes présents dans une population. L’évolution peut se définir finalement comme un changement dans les fréquences géniques d’une population.

Qu’en est il maintenant des mutations ? Les gènes sont certes transmis de génération en génération ; mais des différences se font jour dans ce processus d’hérédité. Les gènes sont disposés sur des chromosomes. Lors de la reproduction sexuée, les chromosomes de chacun des parents se recombinent c’est-à-dire que 50% des gènes de chacun des côtés est conservé, et l’ordre des gènes sur chaque chromosome est changé. Néanmoins, outre la recombinaison, il existe une autre cause du changement  entre les générations : on parle de mutation lorsqu’un gène est mal recopié, d’un parent à ses gamètes. La mutation est une cause encore plus générale de variation entre les générations, car elle a lieu également dans les cas de reproduction asexuée. Sans mutation, dans la mesure où à l’origine les premiers êtres unicellulaires se reproduisaient asexuellement, le stock initial de gènes n’aurait pas été renouvelé. Sans la mutation, la sélection sur la variation est donc essentiellement élimination ; avec la mutation elle devient tri des nouveautés avantageuses en termes de reproduction différentielle et nouveautés délétères.

La biologie moléculaire permet alors de donner une signification simple à la mutation. Après la découverte de Watson et Crick, on sait que le chromosome est un long filament d’acide désoxyribonucléique (ADN), dont chaque gène est un segment. Cette macromolécule géante, faite de nucléotides, à la propriété de pouvoir se répliquer elle-même car elle est une double hélice. A chaque mitose (division de cellule) l’ADN est intégralement recopié dans la cellule fille. Mais surtout, l’ADN « code » des informations relatives à la synthèse des protéines qui ensuite assureront le fonctionnement de l’organisme. Chaque triplet de nucléotides correspond en effet à un acide aminé ; une protéine est faite d’acides aminés. Le code génétique est la relation qui lie chaque combinaison des quatre nucléotides possible à un acide aminé. Notons que plusieurs triplets codent pour le même acide aminé.

Si un gène est une suite GCATTAGCTCG etc. de nucléotides, une mutation est soit le changement d’une lettre en une autre, soit l’insertion de lettres, soit l’inversion de séquences. Elle peut se produire lors de la formation des gamètes.Les mutations sont extrêmement fréquentes : un chromosome étant fait de millions d’acides nucléiques il est hautement probable que des mutations apparaissent régulièrement. La mutation est aléatoire : non qu’elle apparaisse sans causes, mais son apparition est régie par des lois physico-chimiques agissant sur les molécules à l’intérieur de la cellule, sans rapport avec le fonctionnement général de l’organisme. Elle est aussi aléatoire en ceci qu’elle n’est pas directionnelle, comme l’a établi l’école de Morgan dans les années 20, rendant impossible une

conception de la mutation qui verrait en elle la seule explication de l’évolution dirigée. Le caractère non-directionnel de la mutation génétique rend son apparition indépendante de la sélection naturelle. 

Second point : sur un chromosome, il y a plusieurs emplacements de gènes, ou loci. Plusieurs gènes sont possibles à ces loci : les allèles. Chaque combinaison d’allèles n’a pas la même valeur sélective que les autres. Et certains sont récessifs, autres dominants (le dominant n’a besoin que d’être représenté une fois pour être exprimé, le récessif doit être présent les deux fois). Une mutation crée un « allèle mutant ». Cet allèle, selon les conséquences phénotypiques qu’il va avoir, aura donc une valeur sélective spécifique. La sélection naturelle, par définition, va retenir les allèles à valeur sélective la plus haute. Beaucoup de mutations, dans la mesure même où l’organisme est généralement une entité hautement intégrée,  et où les gènes fonctionnent en quelque sorte en cohésion, seront délétères car il y a peu de chances qu’un changement arbitraire permette que la molécule continue à satisfaire aux réquisits de cohésion de l’ancienne molécule. D’où le fait qu’il faut sans doute beaucoup de mutations pour que la sélection naturelle puisse faire de l’effet, que plus une mutation est importante  moins elle a de chance d’être retenue (car plus elle a de chances d’être délétère), et enfin, qu’une grande partie de la sélection naturelle consiste à supprimer les allèles mutants délétères (sélection négative).

Mais l’aléatoire intervient aussi à un autre niveau que l’apparition aléatoire d’allèles mutants dans un génome. Sewall Wright a remarqué dans les années trente que si une population est petite, même si tous les gènes ont la même valeur sélective, certains peuvent être exclus et d’autres fixés dans le pool génique de manière aléatoire. Le phénomène est analogue à ce qui se passe avec un jet de dés. Certes, toutes les faces ont la même probabilité d’être tirées (1/6), et si on lance le dé un nombre infini ou très grand de coup, toutes les faces auront la probabilité 1/6 (loi des grands nombres). Mais si on lance le dé une dizaine de fois, il est possible que seuls sortent le 2 et le 5. Sewall Wright a appelé ce phénomène random genetic drift. Pensant que la plupart des populations réelles étaient de petite taille, il lui donnait un rôle fondamental dans l’évolution en général. (Les dés fournissent simplement un analogue à la dérive génétique, mais il ne faut pas chercher un modèle parfait du phénomène : en particulier, la série finie de coups de dés correspond à la petite taille des populations naturelles, et aucunement à une dimension temporelle de la génétique.) La dérive génétique explique une évolution sans action de la sélection naturelle. La théorie neutraliste consiste en quelque sorte à repenser cette dérive génétique à partir du moment où la mutation d’un gène est conçue en termes moléculaires.

Donc, avec les progrès de la génétique moléculaire , il devient possible de comparerentre organismes voisins :

- les diverses catégories de molécules d'ARN

- les protéines ( produits finis ).

Partant de ces observations, il devient possible :

- estimer les taux de substitution des allèles au cours de l'évolution.

- étudier la variabilité des gènes à l'intérieur de l'espèce.  

Outil de travail de ces biologistes : théorie mathématique de la génétique des populations.

Supposition et souhait le plus cher : la " sélection naturelle " darwinienne s'applique aussi à ce niveau élémentaire.

12.2 La théorie neutraliste

12.2.1 Observations et conclusions de Kimura

En fait, l'image évolutive qui se dégage des études moléculaires sur l'évolution est différente des prédictions darwiniennes.

A - Observations expérimentales :

1° dans une protéine donnée, le taux de substitution des a.a est plus ou moins le même dans de nombreuses lignées évolutives distinctes.......... de plus ces substitutions sont plus aléatoires qu'ordonnées. 

2° au niveau ADN, le taux global de changements ( nucléotides ) est très élevé.

3° les méthodes électrophorétiques ont révélé une formidable variabilité génétique ; en effet, la plupart des protéines sont polymorphes et dans de nombreux cas, ce polymorphisme n'a pas d'effets phénotypiques visibles. Aucune corrélation avec les paramètres du milieu.

B - Suggestions de Kimura :

1°  La majorité des substitutions de nucléotides au cours de l'évolution devaient résulter de fixations aléatoires de mutants neutres  ou presque neutres  plutôt que d'une sélection darwinienne positive .

2° De nombreux polymorphismes devraient être sélectivement neutres ou presque. Ils seraient maintenus dans les populations par un équilibre entre taux de mutations et leur élimination aléatoire.

Processus évolutif : des gènes mutants prennent la place d'autres gènes dans l'espèce, mais différence entre sélectionnistes et neutralistes :

- Pour les premiers, pour qu'un allèle mutant se propage dans une espèce il doit présenter L'AVANTAGE sélectif.

- Pour les seconds, certains mutants SANS AUCUN avantage sélectif peuvent se répandre d'eux même dans une population; leur fréquence fluctue dans le temps , diminuant ou augmentant de façon aléatoire : c'est la " dérive aléatoire " .

Remarque : une mise au point s'impose après l'esposé de cette nouvelle théorie :

a. les gènes neutres ont une fonction c'est à dire que des allèles différents peuvent être aussi efficaces pour assurer la survie et la reproduction de l'individu.

b. La notion de SN doit être utilisée dans un sens purement darwinien, c'est à dire que la SN agit sur et doit être mesurée par la survie et la reproduction différentielle des individus.

Par contre , la seule existence des différences fonctionnelles visibles entre deux formes moléculaires n'est pas une indication de l'action de la SN.

La SN mesure le taux de survie et le taux de fécondité.

c. Il faut toujours garder à l'esprit la distinction entre : mutation génétique chez l'individu et substitution allélique dans une population, seule à intéresser l'évolution moléculaire.

12.2.2 L'évolution moléculaire

- L'évolution moléculaire est différente de l'évolution phénotypique

- Les lois régissant l'évolution moléculaire sont différentes des lois de l'évolution moléculaire.

Première loi : Loi de la constance du temps évolutif : Pour chaque protéine, le taux d'évolution exprimé en fonction du nombre de substitutions d'a.a par an est à peu près constant et le même pour toutes les lignées. Exemple : hémoglobines, cytochromes c , Fibrinopeptides A... 

Le taux d'évolution ne dépend pas :

- du temps de génération

- des conditions de vie

- de l'efficacité de la population

Signification de cette constance : cette constance signifie que les  taux d'évolution  sont principalement déterminés par la STRUCTURE  et la FONCTION des molécules et non par les conditions du milieu.

Pourquoi cette constance ?... :  Il est prouvé que le taux d'évolution "K" en fonction des substitutions de mutants dans la population est simplement égal au taux de mutation des gamètes " v "

K = v    

K est donc indépendant de l'effectif de la population ( N )

C'est une relation remarquable applicable uniquement dans le cas des allèles neutres.

Autrement dit , le taux d'évolution des gènes relativement avantageux dépend :

- De la taille de la population.

- De l'avantage sélectif

- Du taux d'appariement/ génération des mutants avantageux à chaque génération.   

Deuxième loi : Loi de la contrainte fonctionnelle 

Définition :

Les molécules ou parties de molécules , soumises à des contraintes fonctionnelles relativement faibles , évoluent plus rapidement ( en terme de substitutions alléliques ) que celles soumises à des contraintes importantes.

Si on prend le cas de l'insuline : la proinsuline est constituée de 3 sites protéiques A+B+C, l'insuline est constituée de A+B qui est fonctionnelet  de. C , qui n'a pas de fonction propre , son taux d'évolution en aa/an est de 2,4 . 10^-9 Le site B+C qui lui supporte une contrainte fonctionnelle évolue moins vite : 0,4.10^-9 aa/an. 

Ce phénomène de taux d'évolution corrélé avec la contrainte fonctionnelle se retrouve aussi lorsque l'on examine le code génétique avec sa redondance  ; en effet, il semble de plus en plus évident que le fréquence des substitutions de nucléotides se trouvant en troisième position soit particulièrement élevée sans que des achangements apparents apparaissent.  

12.3 Le polymorphisme

Comment expliquer le maintient de la variabilité génétique au sein de l'espèce ?

Comment expliquer le polymorphisme des protéines en particulier ?   

Pour les neutralistes : théorie de la dérive aléatoire : = 1

Pour les sélectionnistes : les polymorphismes sont maintenus par une sorte de "sélection divergente"

- La sélection hétérotypique ou avantage de l'hétérozygote  création d'un polymorphisme balancé ....... Cependant abondant polymorphisme chez E.Coli qui est haploïde ???????

- La sélection dépendante de la fréquence : l'aptitude de deux allèles dépendrait de leur abondance relative ?????   

Si la sélection n'est pas dépendante du maintien du polymorphisme , quelle peut être l'explication du neutralisme pour clarifier le fait que certaines protéines sont plus souvent polymorphes que d'autres.

Pour les neutralistes, comme il a été dit, la structure moléculaire et la fonction d'une molécule, sont les facteurs déterminants du polymorphisme des protéines   

Les sélectionnistes quant à eux prônent l'importance des conditions du milieu et cherchent les corrélations entre variations génétiques et changements du milieu.

Ex.

- Les animaux des fonds marins vivent dans un milieu stable et homogène pas beaucoup de variations génétiques

- Les animaux vivants dans les zones de balancement des marées  : beaucoup de variations génétiques .

Cette proposition pourtant logique et plausible s'est avérée fausse après multiples observations ...

Conclusion :  

" Même si le principe darwinien de la sélection naturelle est celui qui décide au niveau du phénotype, au niveau de la structure interne du matériel génétique , une grande partie des changements est régie par la dérive aléatoire".Bien que ce processus aléatoire soit lent et sans portée notable à l'échelle de l'homme et de son existence éphémère, il entraîne des changements immenses à l'échelle géologique " Kimura .