Samedi-sciences (101): expliquer le big bang de l’évolution

Il y a 540 millions d’années, le monde animal était essentiellement constitué d’organismes unicellulaires très simples qui vivaient dans la boue et ne faisaient rien de très remarquable. Puis, en une vingtaine de millions d’années, intervalle de temps très court à l’échelle géologique, presque tous les grands embranchements d’animaux pluricellulaires ont fait leur apparition : les arthropodes (insectes, crustacés et arachnidés), les mollusques et les chordés, dont font partie tous les vertébrés. La période a vu surgir quelques créatures à l’aspect bizarre, comme l’opabinia, un arthropode pourvu de cinq yeux sur la tête.

Cette « explosion du Cambrien » (du nom de la période qui lui correspond), véritable big bang de l’évolution, a suscité de nombreuses discussions scientifiques. Selon une étude dirigée par Michael Lee, biologiste à l’université d’Adelaïde (Australie), publiée le 12 septembre dans Current Biology, s’expliquerait par une accélération du rythme du changement évolutif : Lee et ses collègues estiment que les espèces évoluaient quatre fois plus vite au début du Cambrien que pendant les quelque 500 millions d’années qui ont suivi.

Dès le XIXème siècle, les scientifiques ont observé la grande diversification des fossiles correspondant à l’époque cambrienne (entre 540 et 485 millions d’années avant le présent). Charles Darwin a été l’un des premiers à s’en préoccuper, et y a même vu l’une des objections majeures à sa théorie, car il se représentait l’évolution comme un processus lent et régulier. L’explosion cambrienne lui semblait trop rapide pour être compatible avec ses hypothèses. En fait, d’après Lee, cité par la revue Science, le rythme évolutif au Cambrien était « rapide, mais pas trop rapide » pour être compatible avec les hypothèses darwiniennes.

Certains scientifiques ont essayé d’expliquer l’explosion cambrienne par les lacunes des archives fossiles : de nombreuses formes vivantes antérieures au Cambrien auraient disparu sans laisser de trace fossile, donnant l’impression fausse d’une diversification très rapide il y a un demi-milliard d’années. Cependant, même si les archives fossiles sont effectivement lacunaires, des preuves se sont accumulées pour établir qu’il y a réellement eu une explosion de nouvelles formes vivantes dans une période de 20 à 30 millions d’années au Cambrien.

Lee et ses collègues ont donc choisi une autre approche : ils ont cherché à évaluer le rythme du changement nécessaire pour rendre compte du big bang évolutif. A cette fin, ils ont étudié l’évolution des arthropodes, l’embranchement le plus diversifié. Les chercheurs ont examiné les changements anatomiques et génétiques des arthropodes, en analysant au total 62 gènes et 395 caractères d’une vingtaine d’espèces. Ils ont comparé deux à deux les différents groupes d’arthropodes en sélectionnant les différences importantes de caractères physiques et de séquences génétiques observables sur les espèces vivantes aujourd’hui. Ensuite, en se basant sur les traces fossiles, ils ont estimé à quelle vitesse les groupes ont divergé les uns des autres. Finalement, ils ont calculé à quel rythme les changements génétiques et anatomiques ont dû se produire pour rendre compte des différences actuelles entre les différents groupes.

Les calculs de Lee et ses collègues conduisent à estimer que l’apparition de nouveaux caractères était 4 fois plus rapide pendant l’explosion du Cambrien que pendant les 500 millions d’années qui ont suivi. L’évolution génétique, elle, était un peu plus rapide : le génome d’une espèce, en moyenne, changeait de 0,117% par million d’années, soit 5,5 fois plus vite que le rythme estimé pour les espèces actuelles.

L’étude a porté uniquement sur les arthropodes, mais une méthode analogue pourrait être appliquée aux autres embranchements. Cette recherche montre que l’explosion du Cambrien peut s’expliquer par une accélération du rythme du changement certes importante, mais qui reste dans le cadre de la théorie de l’évolution. Ainsi, lorsqu’une population moderne de mammifères se trouve isolées sur une île, elle peut évoluer plusieurs fois plus vite que l’espèce mère restée sur le continent.

Reste à comprendre ce qui a provoqué l’explosion du cambrien. Le fait que le rythme de l’évolution des caractères et celui du changement génétique soient assez proche suggère qu’une forte pression de sélection s’est exercée sur les espèces à l’époque. Lee et ses collègues supposent que cette pression est liée à une série d’adaptations très importantes : la vision, le fait de creuser des terriers, la natation, les mécanismes de prédation sont apparus pendant l’explosion du Cambrien. Ces innovations ont transformé les changements ont transformé les relations entre espèces et ont créé de nouvelles niches écologiques. Dans un commentaire sur le site de la télévision australienne SBS, Lee explique que la compétition entre espèces s’est alors intensifiée, et a « stimulé la “course aux armements” évolutives entre prédateurs et proies ». Les effets cumulatifs de ces changements, sur une période relativement courte de vingt millions d’années, ont ainsi pu produire une véritable révolution de la vie sur Terre.

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