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ARTICLE
La
spéciation par rupture de symétrie selon Ian
Stewart
par Jean-Paul Baquiast
15 octobre 2003
Le professeur Ian Stewart
enseigne les mathématiques à l'Université
de Warwick. Il est aussi directeur du Mathematics Awareness
Centre de Warwick dont l'objectif est de mieux faire connaître
les sciences, notamment les mathématiques. Enfin
c'est un écrivain fécond, dont l'oeuvre intéresse
la vulgarisation scientifique et la science-fiction.
Le n° du 11 octobre 2003
du NewScientist publie un article qui parait mériter
quelques commentaires: How the species became,
que l'on pourrait traduire par "Comment se fait la
spéciation?" Le sujet est d'autant plus intéressant
qu'il complète par un heureux hasard de la chronologie
la fiche de lecture que nous vous proposons dans ce même
numéro, relative au Hors-série de Sciences
et Avenir, L'empire des gènes.
Comme nous vous l'indiquons,
le Pr. Ian Stewart, auteur de cet article, est à la
fois mathématicien et auteur de science-fiction. Ce
mariage est rare en France, plus courant dans les pays anglo-saxons,
et fort sympathique. La question que l'on peut se poser, c'est
celle de savoir si, quand un tel homme publie un article dans
une revue de vulgarisation comme NewScientist, il fait de
la science ou du roman. Mais à peine posée,
la question trouve sa réponse. La bibliographie fournie
en annexe de l'article mentionne un article sur le même
thème, article indubitablement scientifique, publié
par lui et deux collègues, dans l'austère revue
Trends in Mathematics, Bifurcations, Symmetry and Patterns
(chez Birkhaüser à Bâle), sous le titre
Symmetry-breaking as an origin of species.
Voyons donc de quoi il s'agit.
Darwin, constate l’auteur, n’avait pas expliqué
comment une espèce peut, sous la pression de la sélection
naturelle, donner éventuellement naissance à
deux nouvelles espèces. L’espèce initiale
peut évoluer, mais pourquoi se scinderait-elle en
deux ? L’explication jusqu’ici admise est l’isolement
géographique fortuit. Il s’agit d’une
mutation dite « allopatrique » (par création
de familles différentes). Mais qu’en est-il
dans le cas bien plus courant où aucun changement
majeur d’environnement ne permet la formation d’isolats.
On est dans le cas d’une mutation « sympatrique
» (se produisant au sein d’une même famille).
C’est la raison de ce type de mutation que recherchent
actuellement certains biologistes évolutionnaires.
Pour répondre à cette question,
Ian Stewart a eu recours à des simulations mathématiques
appliquées à la dynamique de la spéciation.
Les modèles réalisés dans son laboratoire
mettent en évidence, selon lui, un processus évolutif
d’accroissement de complexité qui se retrouverait
partout dans la nature, de la physique subatomique jusqu’à
l’homme, en passant par tous les phénomènes
physiques et biologiques. Il s’agit de ce que l’on
appelle la « brisure de symétrie ». Soit
l’exemple d’un désert de sable, en l’absence
de vent. Sa symétrie est celle du plan, sans direction
privilégiée. Mais si un vent se met à
souffler, il provoque des ondulations, les dunes, qui sont
le produit de la brisure de symétrie imposé
au plan par la direction bien particulière correspondant
à l’écoulement du vent. On sait que
les mathématiciens ont étudié depuis
longtemps de tels changements brutaux d’état,
ou transitions de phases dites aussi « catastrophiques
».
En quoi ceci intéresse-t-il la spéciation
? Il faut d’abord rappeler que (comme le souligne
Jean-Jacques Kupiec dans ses publications) le concept d’espèce
ne désigne pas une réalité en soi,
mais un regroupement d’individus présentant
une majorité de caractères communs les rendant
semblables, c’est-à-dire ne permettant pas
de les distinguer les uns les autres. L’un de ces
caractères est l’interfécondité.
L’espèce est donc une entité statistique
qui, comme telle, admet des écarts à la moyenne,
plus ou moins voyants. On peut donner une image de la symétrie
au sein d’une espèce. Prenons un groupe dont
les membres ont tous la même apparence. Si on demande
à certains de ceux-ci de changer de place (par exemple
dans une file d’attente) cette permutation ne modifiera
pas l’aspect global du groupe. On dira en ce cas qu’il
est symétrique. Mais si quelques individus présentent
des caractères même légèrement
différents de ceux des autres, leur permutation entraînera
une modification visible dans l’apparence du groupe.
La symétrie de celui-ci aura été brisée.
A partir de cet exemple simple, on peut
étudier sur un modèle mathématique
le déroulement des processus de spéciation
résultant de l’introduction de facteurs brisant
la symétrie au sein d’une espèce.
Les mutations allopatriques (au sein d’une même
espèce), résultent de nombreuses causes qui
rompent l’homogénéité de l’échange
des gènes lors de la reproduction, sans modifications
visibles de l’ADN commun. Ian Stewart mentionne de petits
changements environnementaux se conjuguant avec des accidents
mineurs de réplication tenant au fait que le mécanisme
de la reproduction n’a rien d’automatique. Dans
ce cas, les modèles mathématiques montrent que
les mutations en résultant obéissent à
3 grandes règles, que l’on retrouve dans la nature
: quand une espèce se divise, elle donne très
généralement naissance à deux espèces
et non à plusieurs - la mutation survient très
rapidement, en quelques générations, et non
sur des centaines de générations soumises à
de petits changements continus - la mutation enfin donne naissance
à des traits diamétralement opposés (par
exemple, chez le pinson, animal fétiche depuis que
Darwin l’a observé aux îles Galapagos,
un gros bec pour une des deux espèces nouvelles et
un petit bec pour l’autre, mais pas des becs de tailles
intermédiaires).
Il s’agit de brisures de symétrie.
Mais quelles en sont les causes ? A quel moment, en d’autres
termes, et pourquoi, le pattern caractéristique de
l’espèce se brise-t-il, comme finit par se
briser un bâton que l’on ploie de plus en plus
?
Toute modification locale de l’environnement
peut donner une chance aux individus porteurs de petites
variations produites au hasard, si celles-ci leur permettent
de tirer parti de cette modification. Ce sont, si l’on
peut dire, deux séries de hasard qui se rencontrent.
Les individus qui bénéficient de cette rencontre,
porteurs de la variation favorable, se distinguent alors
rapidement des individus initiaux, en profitant des conditions
favorables offertes par la modification de l’environnement
dont ils sont les seuls à pouvoir profiter. Les autres
n’entrent pas en compétition avec eux puisqu’ils
restent adaptés à un milieu qui pour eux n’a
pas changé. Dans le cas des pinsons, les simulations
mathématiques montrent que de petites modifications
se produisant au hasard dans la taille du bec disparaissent
à la génération suivante et n’influencent
pas le pattern de l’espèce, sauf si au même
moment une modification de la nature des aliments disponibles
ne favorise les individus porteurs de l’une de ces
modifications. Ils divergent alors rapidement de ceux demeurés
dans les conditions initiales. Chacun des deux groupes exploitant
des niches distinctes, ils peuvent survivre séparément.
Mais leur divergence n’entraîne pas nécessairement
de modifications dans la totalité des caractères
caractérisant en moyenne l’espèce, notamment
l’interfécondité. A terme cependant,
comme, conformément aux simulations, les deux groupes
tendent à se regrouper, les fécondations croisées,
bien que restant toujours possibles, deviennent de plus
en plus rares. La voie est ouverte pour des mutations au
niveau du génome, qui rendront les deux espèces
désormais incompatibles.
Le point important montré par ces
modèles est qu’une espèce devient instable
et diverge quand des modifications petites mais critiques
de l’environnement favorisent telle combinaison de
gènes plutôt que telle autre. Mais ces gènes
sont ceux qui différencient les phénotypes
entre eux. Ils peuvent donc supporter des réorganisations
(rupture de symétrie) sans que s’ensuive une
modification de l’ADN commun à l’espèce.
Peut-on faire ici des commentaires sur ce
qui précède. Ces études sur la modélisation
des ruptures de symétrie dans ce qui fait le pattern
des caractères des phénotypes, introduisant
de nouvelles formes sans modification des génomes,
paraissent en partie réhabiliter l’évolutionnisme
selon Lamarck, caractérisé par la transmission
des caractères acquis. Certains caractères,
il est vrai superficiels, peuvent se transmettre de générations
en générations, si celles-ci profitent ainsi
de niches environnementales favorables – jusqu’au
moment nous l’avons dit où se produisent des
mutations génétiques d’une importance
suffisante pour rendre l’interfécondité
impossible.
Mais tant que l’interfécondité
demeure, pourra-t-on dire que de nouvelles espèces
sont apparues ? Les 14 sortes de pinsons des Galapagos constituent-ils
ou non des espèces différentes (à supposer,
ce que j’avoue ne pas savoir, qu’ils soient
restés interféconds). On pourrait dire qu’il
s’agit de variétés ou races, comme on
le dit des nombreuses sortes de chiens domestiques. Mais
si on voulait définir l’espèce par le
partage d’un certain nombre de caractéristiques
oscillant autour d’une moyenne, et pas seulement par
l’interfécondité (qui comme on le sait,
n’est pas toujours significative) on pourra dire qu’il
s’agit d’espèces différentes.
Derrière cette question s’en
profile une autre, que l’on se gardera bien d’aborder
sans précautions. Qu’en sera-t-il de ces modèles
appliqués à l’homme ? Qu’est-ce
qui définit l’espèce humaine ? C’est
dira-t-on l’interfécondité (entendue en
termes de probabilité forte de reproduction). Mais
que dire des différences morphologiques suffisamment
évidentes pour être remarquées ? Que dire
aussi des différences culturelles ayant la même
caractéristique ? Si certaines de ces différences
permettent aux individus qui les portent de s’adapter
mieux que les autres à des milieux géographiques
ou sociétaux eux-mêmes en cours de différenciation,
jusqu’où pourra se maintenir le concept d’appartenance
à une même espèce, l’espèce
humaine ? Certains ne vont-ils pas prétendre qu’ils
constituent une espèce humaine différente de
l’actuelle, voire une espèce post-humaine –
même si l’interfécondité se maintient
encore un certain temps entre des branches en cours de divergence
?
Pour éviter que les tendances à
la divergence ne s’accroissent, il faudrait sans doute
faire en sorte que les différences dans les environnements
technologiques ou sociaux ne s’accroissent pas. C’est
bien ce que voudraient, notamment, les altermondialistes.
Mais cette ambition est-elle réalisable? Nous avons
plusieurs fois noté ici qu’aux Etats-Unis,
beaucoup de gourous de l’évolution scientifique
et technique accélérée envisagent la
perspective d’une méta-mutation, c’est-à-dire,
pour parler comme Ian Stewart, d’une méta-rupture
de symétrie, dont bénéficieraient évidemment,
en premier, les ressortissants américains.
N’anticipons pas. Par contre, on
peut supposer que ce furent des mécanismes semblables
à ceux modélisés par Ian Stewart qui
furent à la naissance des divergences apparues tout
au long de l’histoire des hominiens, jusqu’à
l’éloignement puis l’extinction de l’homo
sapiens neandertalensis.
Pour en savoir plus
Ian
Stewart
http://www.maths.warwick.ac.uk/staff/ins.html
Oeuvre
romanesque http://members.aol.com/istewjoat/homepage.html
Mathematics
Awareness Centre http://members.aol.com/istewjoat/macaw.html
Warwick
Mathematics Institute (près de Coventry, GB) http://www.maths.warwick.ac.uk/
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