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15 octobre 2003
par Jean-Paul Baquiast
La spéciation par rupture de symétrie,
selon Ian Stewart
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 2
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
(entendu 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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