L’évolution darwinienne peut-elle expliquer le lamarckisme?
Si vous avez suivi un cours de biologie au lycée, vous connaissez probablement la théorie de L’évolution de Jean-Baptiste Lamarck et son accent sur « l’héritage des caractéristiques acquises” — pensez aux girafes qui étirent leur cou plus longtemps pour atteindre les feuilles hautes des arbres. Dans les manuels scolaires, la théorie de Lamarck est souvent présentée comme une rivale de la théorie de L’évolution par sélection naturelle de Charles Darwin., Le scénario simpliste est que les deux théories se sont battues au 19ème siècle et que le darwinisme a gagné, conduisant à la disparition du lamarckisme et à la montée de ce que les biologistes appellent la synthèse moderne.
Mais les découvertes récentes ont montré une saveur remarquablement lamarckienne. Un exemple est le système CRISPR-Cas, qui permet aux bactéries de transmettre des informations sur les virus qu’elles ont rencontrés à leur progéniture., Il existe également des exemples clairs d’héritage épigénétique Transgénérationnel, dans lequel les animaux supérieurs affectés par des facteurs environnementaux transmettent des changements génétiques favorables à leur progéniture à travers les générations. De tels mécanismes ont du sens pour nous en tant que concepteurs: un animal devrait transmettre, dans ses gènes, les informations qu’il a acquises sur l’environnement. De telles découvertes ont suscité un débat sur la possibilité d’une mise à jour de la synthèse moderne. Y a-t-il un rôle pour les mécanismes Lamarckiens dans la théorie évolutionniste moderne?
Au niveau des mécanismes, oui., À un niveau plus profond des causes, cependant, la réponse est un « non” retentissant — la sélection naturelle règne en maître. Comment, vous demandez-vous? La juxtaposition simpliste de Darwin et Lamarck dans les cours de biologie élémentaire est une fausse équivalence. Si les modèles D’héritage Lamarckiens existent et sont effectivement bénéfiques pour l’organisme (c’est-à-dire qu’ils sont des adaptations évolutives), alors la seule façon dont ils auraient pu naître et être maintenus au cours du temps évolutif est par la sélection naturelle darwinienne. Il n’y a tout simplement aucun moyen de le contourner., Nos puzzles de ce mois explorent une version simple de l’héritage épigénétique Transgénérationnel et montrent comment la sélection naturelle sur plusieurs générations peut, sous certaines conditions, favoriser les individus qui possèdent de tels mécanismes.
tout d’abord, récapitulons les différences entre les idées de Lamarck et de Darwin en revisitant cet exemple fréquemment cité: le long cou de la girafe. Selon Lamarck, la girafe a eu son long cou parce que ses ancêtres ont étiré le leur pour manger des feuilles qui étaient juste hors de portée., Cet étirement du cou a été transmis à leur progéniture, au fil des générations, jusqu’à ce qu’il atteigne sa longueur actuelle. D’autre part, la vision darwinienne dominante est que, chez les ancêtres de la girafe, il y avait une variation dans la taille du cou, comme il y en a dans n’importe quelle population. Les girafes au cou plus long réussissaient mieux à se nourrir et produisaient une progéniture plus longue. De longs cous ont ainsi été « sélectionnés pour » à chaque génération, allongeant progressivement le cou de la girafe au cours du temps évolutif., La raison pour laquelle nous ne croyons plus à la version de Lamarck est que le matériel génétique est transmis à la génération suivante par les cellules germinales, et la plupart des changements acquis n’influencent tout simplement pas les cellules germinales; ils sont, dans une large mesure, isolés de l’environnement. Si cela n’était pas vrai, les souris dont la queue est coupée pendant de nombreuses générations, comme le scientifique August Weismann a essayé de le faire, naîtraient sans queue. (Ils ne sont pas!) En outre, les hommes juifs et musulmans seraient nés sans prépuces. (Malgré de nombreuses générations de circoncision, mohels peut encore gagner sa vie.,)
Mais il est évident que les cellules germinales peuvent être affectées par l’environnement — lorsque les changements sont causés par une mauvaise santé et sont délétères. Les Infections, les toxines ou tout simplement la vieillesse peuvent affecter les cellules germinales et produire une progéniture moins saine de diverses manières. Nous ne considérons pas vraiment cela comme inhabituel, ou comme quelque chose à voir avec l’évolution. Mais que se passe-t-il si les changements se sont avérés bons? Une célèbre étude suédoise Sur 300 personnes qui ont été exposées à des famines au début des années 1900, L’étude Överkalix, a montré un résultat remarquable., La quantité de nourriture à laquelle les grands-parents d’une personne ont été exposés au cours de leurs années pré-pubertaires a eu un effet mesurable sur le risque cardio-vasculaire de cette personne deux générations plus tard. Dans une association spécifique, les hommes qui ont été exposés à un approvisionnement alimentaire médiocre à un âge critique ont été trouvés, deux générations plus tard, avoir conféré un risque de décès cardiovasculaire nettement inférieur à leurs petits-enfants. Apparemment, cela aide d’avoir eu un grand-père paternel qui est mort de faim entre l’âge de 9 et 12 ans! Des changements similaires ont été trouvés dans les expériences sur les animaux., Par exemple, les survivants de famines parmi les vers nématodes sont plus petits et moins fertiles que les vers normaux, mais ils acquièrent une ténacité qui dure au moins deux générations. De plus, les scientifiques ont également constaté qu’une telle transmission entre les générations ne se produit pas par un changement du codage de l’ADN dans les gènes de la manière dont l’hérédité fonctionne habituellement, mais plutôt par des mécanismes « épigénétiques” tels que l’inactivation de certains gènes par la fixation de groupes méthyle (méthylation de l’ADN) ou par, Ces mécanismes « Lamarckiens” non standard ont certainement le potentiel de conférer des changements bons ou adaptatifs aux individus, et ils pourraient stimuler l’évolution. Mais comment ont-ils pu naître et comment sont-ils maintenus? Eh bien, cela doit être par variation aléatoire et sélection naturelle darwinienne standard, bien sûr! Explorons cela dans nos questions de puzzle.
Question 1:
Imagine qu’il existe un animal qui a une nouvelle génération chaque année. Chaque individu a une moyenne de 1.,6 progéniture survivante dans une année normale, qui peut être définie comme la condition physique de l’animal (appelons-le f), après quoi l’animal meurt. Au cours d’une année de famine, f tombe à 1,3. Supposons maintenant qu’il y ait un groupe d’individus plus petits dont les valeurs f sont de 1,5 dans les années normales mais de 1,35 dans les années de famine: leur besoin alimentaire plus petit les aide à mieux survivre aux famines. Combien de temps une famine devrait-elle durer pour que les petits individus fassent mieux que les normaux? Combien d’années de famine avant que les petits individus ne représentent 90% de la population?,
Question 2:
supposons qu’il existe un groupe mutant initialement normal d’individus appelés Epi2s, dont les cellules germinales sont affectées par une année de famine de telle sorte que leur progéniture passe au petit type pendant deux générations avant de revenir à la normale à la troisième génération,. Considérons une période de 13 ans qui commence et se termine par des années normales, mais avec une famine d’un an, deux famines de deux ans et une famine de trois ans entre les deux., Lequel des trois groupes (normal, small, Epi2s) aura le plus de succès? Existe-t-il des modèles de famine dans lesquels les Epi2 submergent les deux autres groupes à très long terme?
Question 3:
ajoutons un autre type d’animal à ce qui précède: les Epi1, qui comme les Epi2 passent à une petite descendance après une famine, mais dans ce cas, la descendance revient à la normale après une seule génération., Sur une période de 20 ans, Pouvez-vous proposer un « calendrier de famine” de telle sorte que les quatre types d’animaux (normal, petit, Epi1 et Epi2) existent en équilibre virtuel sur cette période?
comme le montrent ces vignettes, peu importe que les caractéristiques soient contrôlées par des mécanismes génétiques ou épigénétiques. Ce qui compte, c’est l’avantage de forme physique choisi par l’environnement d’un organisme., Si les conditions qui confèrent un avantage de fitness à un groupe donné durent assez longtemps et sélectionnent ce groupe sur plusieurs générations, alors ce groupe dominera la population et les caractéristiques de l’espèce changeront. Donc, s’il existe un sous-ensemble important d’une population qui présente un héritage épigénétique avantageux, la sélection naturelle est très susceptible de le maintenir. D’autre part, si les modifications épigénétiques dans une population sont délétères, la sélection naturelle l’éliminera., Il n’y a pas d’information top-down et ciblée qui passe à travers les générations ici, aussi sensée que cela nous semble. Sur la base de ces considérations, pouvez-vous spéculer sur l’évolution de l’élégant transfert d’informations entre les générations incarné par le système CRISPR-Cas chez les bactéries?
le processus aveugle et ascendant de la sélection naturelle dans l’évolution est si profond et si inexorable qu’il n’y a aucun moyen de contenir sa puissance et aucun mécanisme rival pour créer l’adaptation., Il n’est pas étonnant que le philosophe Daniel Dennett ait comparé la sélection naturelle à un « acide universel” qui ne peut être contenu. La sélection naturelle et ses analogues dans les sphères non biologiques pourraient bien être les principaux — ou les seuls-processus qui créent une nouveauté complexe à tous les niveaux de l’univers. Et cela inclut la nouveauté complexe créée par nous.
note de L’éditeur: le lecteur qui soumet la solution la plus intéressante, créative ou perspicace (selon le chroniqueur) dans la section commentaires recevra un T-shirt Quanta Magazine., Et si vous souhaitez suggérer un puzzle préféré pour une colonne Perspectives futures, soumettez-le en tant que commentaire ci-dessous, clairement marqué « nouvelle suggestion de PUZZLE. »(Il n’apparaîtra pas en ligne, donc les solutions au puzzle ci-dessus doivent être soumises séparément.)