Une série d'expériences menées par des chercheurs de Stanford Medicine qui comprenaient des connexions de poissons, CRISPR et des sauts de lac a confirmé une hypothèse de longue date, mais non prouvée, sur l'évolution naturelle. Cela démystifie également un sujet de discussion privilégié par les partisans de la conception intelligente, qui ont fait valoir que les mutations naturelles ne feront qu'endommager ou détruire un animal et ne peuvent pas conduire à de nouveaux traits et structures corporelles utiles.

Les chercheurs ont identifié des changements répétés dans la régulation d'un gène clé du développement qui augmente le nombre et régit la longueur des principales épines défensives d'un poisson appelé épinoche. De nouveaux traits de colonne vertébrale améliorent la survie du poisson face à divers prédateurs, allant à l'encontre d'une affirmation clé des anti-évolutionnistes selon laquelle des changements majeurs rendront toujours les animaux inaptes à survivre dans la nature.

"Les scientifiques savent déjà que les changements dans la régulation de ce gène, appelé HOX, contrôlent le développement des principales structures corporelles au cours du développement", a déclaré David Kingsley, Ph.D., professeur de biologie du développement. "Ce qui est nouveau, c'est que nous montrons de manière concluante que les mutations de ce gène produisent des changements majeurs chez les animaux sauvages - de nouvelles caractéristiques qui aident les poissons à prospérer dans les environnements naturels. Nos résultats réfutent l'argument courant selon lequel ces types de gènes sont si importants, si fondamentaux, que les animaux avec des mutations dans ces régions ne survivraient pas dans la nature - que si vous jouez avec des régulateurs maîtres, vous ne ferez qu'un monstre sans espoir."

Kingsley, chercheur HHMI et professeur Rudy J. et Daphne Donohue Munzer, est l'auteur principal de la recherche, qui a été publiée en ligne le 1er septembre dans Nature Ecology and Evolution . L'étudiante diplômée Julia Wucherpfennig est l'auteur principal de l'étude.

Bien que le concept d'évolution soit largement accepté, il peut se produire de différentes manières. L'évolution régressive est la perte de traits existants, auparavant utiles mais maintenant désavantageux ou inutiles, résultant en un animal plus adapté à son environnement naturel. Ces changements sont presque toujours soit neutres - pensez aux poissons des cavernes qui ont perdu leurs yeux après des générations dans l'obscurité - soit utiles, comme chez les premiers humains qui se débarrassent du costume poilu de nos parents singes, nous permettant de chasser des proies sur de longues distances sans surchauffer. .

Un jeu de hasard

En revanche, l'évolution progressive se produit lorsque les organismes acquièrent de nouveaux traits qui leur permettent de surpasser leurs pairs. Mais de tels changements sont essentiellement un acte de foi équivalent à lancer les dés génétiques et à espérer qu'ils obtiendront tous des six. Des changements plus petits et plus graduels sont moins risqués. Les grands changements structurels, parfois appelés mutations à effet important, peuvent être particulièrement risqués :imaginez un jour que vous sortez de votre appartement avec une troisième jambe ou deux têtes. Auriez-vous un avantage sur vos voisins lorsque vous courriez vers le bus, ou êtes-vous plus susceptible de trébucher et de tomber la tête la première dans la circulation ?

Bien qu'il y ait eu des cas où des animaux ont acquis des traits bénéfiques dans la nature grâce à des changements dans les gènes HOX - les mouches des fruits ont développé des modèles spécifiques de soies sensorielles sur leurs pattes et certaines abeilles ont acquis une coloration distinctive sur leur abdomen - la plupart des gains structurels majeurs causés par des mutations dans ces régions ont été préjudiciables.

"Les mouches des fruits à quatre ailes élevées en laboratoire sont un exemple célèbre de la façon dont des altérations génétiques relativement simples dans les régions régulatrices des gènes HOX peuvent changer radicalement la forme du corps d'un animal", a déclaré Kingsley. "Mais parce que ces mouches ne peuvent pas survivre dans la nature, les partisans de l'anti-évolution s'en sont emparés, non pas comme de bons exemples de la façon dont les gènes conduisent l'évolution, mais comme la preuve que les modifications génétiques ne peuvent que rendre les animaux moins fonctionnels."

Les épinoches de deux à quatre pouces de long, qui arborent un nombre variable d'épines pointues le long de leur dos, sont d'excellents sujets de recherche car elles évoluent rapidement et de façon spectaculaire en réponse aux conditions environnementales changeantes. Un lac rempli d'insectes piscivores abrite souvent des épinoches avec des épines moins nombreuses et plus courtes à saisir. Mais un étang avec des poissons plus gros ou des oiseaux qui avalent leurs bâtonnets de poisson entiers est susceptible de se vanter d'avoir une population d'épinoches avec des épines plus longues et plus nombreuses qui grattent la gorge. Les forêts d'herbes aquatiques sont idéales pour les poissons flexibles et glissants qui peuvent se cacher dans la végétation, tandis qu'en pleine mer, les plaques blindées et les épines redoutables sont la voie à suivre.

Le laboratoire de Kingsley a commencé l'étude avec un matchmaking aqueux. Des étudiants diplômés précédents ont croisé une épinoche femelle à deux épines d'un lac d'eau douce en Colombie-Britannique avec une épinoche mâle à trois épines des eaux salées de Bodega Bay, en Californie. Ils ont ensuite croisé les descendants de ce match entre eux et ont analysé le nombre et la forme de leurs épines. La plupart des 590 grands-poissons avaient trois épines, mais six avaient deux épines et 21 avaient quatre épines, plus que n'importe lequel de leurs ancêtres. Des études génétiques approfondies sur les poissons à épines variables ont mis en évidence des différences dans la région autour d'un gène appelé HOXDB, qui fait partie de la famille de gènes HOX.

Un lien entre les gènes et l'anatomie

Wucherpfennig a continué à collecter et à traverser des épinoches d'une myriade de lacs et de cours d'eau nord-américains, à étudier leur constitution génétique et à utiliser les méthodes CRISPR pour confirmer les effets du gène HOXDB sur les épines dorsales. Elle a trouvé un panel de changements dans les régions proches du gène HOXDB et a montré qu'ils étaient associés à des changements anatomiques majeurs qui évoluent dans l'armure défensive des poissons sauvages.

"En Nouvelle-Écosse, certaines des populations d'épinoches ont évolué pour avoir cinq ou même six épines", a déclaré Kingsley. "La nature a laissé la région codante de ce gène intacte mais a modifié comment et quand il est exprimé au cours du développement normal pour ajouter des structures plutôt que de les supprimer. Et les poissons avec ces nouvelles structures prospèrent dans un environnement complètement sauvage soumis à toute une gamme de facteurs environnementaux. pressions."

Wucherpfennig et ses collègues ont montré que des changements répétés dans les régions régulatrices du gène HOXDB sont responsables de l'évolution récente de nouveaux modèles d'épines chez deux espèces d'épinoches différentes qu'elle a étudiées à travers l'Amérique du Nord. Ils souhaitent maintenant savoir si des changements similaires sont responsables de différences chez des poissons qui sont encore plus éloignés.

« Existe-t-il des règles prévisibles qui régissent le changement évolutif ? » dit Kingsley. "Les espèces naturelles utilisent-elles encore et encore la même astuce ou doivent-elles inventer une nouvelle astuce à chaque fois ? Jusqu'à présent, c'est le même gène, même chez ces épinoches très divergentes provenant d'environnements différents. Ici, nous montrons que la nature ajoute régulièrement des structures pour générer des animaux plus adaptés à l'environnement, et qu'il le fait à plusieurs reprises en utilisant le même gène régulateur maître. C'est un argument décisif pour l'évolution progressive, qui a été débattu dans les milieux académiques et non académiques pendant des décennies. + Explorer plus loin

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