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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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