La Preuve Est dans les Protéines: Le Test Soutient l’Ancêtre Commun Universel pour Toute la Vie

La première forme de vie de la Terre, flottant dans la mousse proverbiale des mers primordiales qui ont finalement donné naissance aux arbres, aux abeilles et aux humains, n’est pas seulement une vanité darwinienne populaire, mais aussi une prémisse biologique essentielle sur laquelle de nombreux chercheurs s’appuient pour fonder leurs travaux.
Au 19ème siècle, Charles Darwin est allé au-delà des autres, qui avaient proposé qu’il pourrait y avoir un ancêtre commun pour tous les mammifères ou animaux, et a suggéré qu’il y avait probablement un ancêtre commun pour toute la vie sur la planète — végétale, animale et bactérienne.
Une nouvelle analyse statistique prend cette hypothèse au sérieux et constate qu’elle contient non seulement de l’eau, mais qu’elle est en effet extrêmement saine.
N’était-il pas déjà évident, d’après la découverte et le déchiffrement de l’ADN, que toutes les formes de vie descendent d’un seul organisme commun — ou du moins d’une espèce basale ? Non, dit Douglas Theobald, professeur adjoint de biochimie à l’Université Brandeis et auteur de la nouvelle étude, détaillée dans le numéro du 13 mai de Nature. (Scientific American fait partie du groupe d’édition Nature.) En fait, dit-il, “Quand je suis entré là-dedans, je ne savais vraiment pas quelle serait la réponse.”
Malgré les difficultés de tester formellement l’évolution — en particulier à travers les éons jusqu’à l’émergence de la vie elle—même – Theobald a pu effectuer des analyses statistiques rigoureuses sur les séquences d’acides aminés de 23 protéines universellement conservées dans les trois grandes divisions de la vie (eucaryotes, bactéries et archées). En branchant ces séquences dans divers modèles relationnels et évolutifs, il a découvert qu’un ancêtre commun universel est au moins 10 ^ 2 860 plus susceptible d’avoir produit les variances de séquence protéique modernes que même le scénario le plus probable suivant (impliquant plusieurs ancêtres distincts).*
“L’évolution réussit bien là où elle peut être testée”, explique David Penny, professeur de biologie théorique à l’Institut des BioSciences moléculaires de l’Université Massey en Nouvelle-Zélande et co-auteur d’un éditorial qui l’accompagne. Pourtant, il note que l’évolution peut rendre “difficiles au mieux les prédictions testables sur le passé (en particulier les prédictions quantitatives)”. “Que Theobald puisse concevoir un test formel”, dit-il, “était excellent…. Cela conduira probablement à un saut dans ce que l’on attend de l’évaluation formelle des hypothèses, et cela aiderait tout le monde.”
Acrimonie de l’ancêtre commun
Les découvertes du milieu du 20e siècle sur l’universalité de l’ADN “ont vraiment réussi pour les gens” en termes d’établissement dans la culture populaire – et académique – qu’il y avait un seul ancêtre commun universel pour toute la vie connue sur Terre, dit Theobald. Et depuis lors, “cela a été largement supposé vrai”, note-t-il.
Mais au cours des deux dernières décennies, de nouveaux doutes ont émergé dans certains milieux. Les microbiologistes ont acquis une meilleure compréhension du comportement génétique des formes de vie simples, qui peuvent être beaucoup plus amorphes que le transfert vertical typique de gènes d’une génération à l’autre. La capacité des microbes tels que les bactéries et les virus à échanger des gènes latéralement entre les individus — et même entre les espèces – modifie une partie de la compréhension structurelle de base de la carte de l’évolution. Avec les transferts de gènes horizontaux, les signatures génétiques peuvent se déplacer rapidement entre les branches, transformant rapidement un arbre traditionnel en une toile emmêlée. Cette dynamique “jette le doute sur ce modèle de l’arbre de vie”, dit Theobald. Et “une fois que vous jetez un doute sur cela, cela jette également un doute sur l’ascendance commune.”
Avec la découverte des archées comme troisième domaine majeur de la vie — en plus des bactéries et des eucaryotes — de nombreux microbiologistes sont devenus plus douteux d’un ancêtre commun unique.
Un test d’évolution
D’autres chercheurs avaient mis à l’épreuve certaines sections de la vie, y compris une analyse statistique similaire réalisée en 1982 par Penny testant la relation de plusieurs espèces de vertébrés. Theobald décrit le document comme “cool, mais le problème est qu’ils ne testent pas l’ascendance universelle.”Avec les progrès de l’analyse génétique et de la puissance statistique, cependant, Theobald a vu un moyen de créer un test plus complet pour toute vie.
Au cours de ses recherches, Theobald s’était heurté à un problème évolutif commun mais “presque insoluble” en biologie moléculaire. De nombreuses macromolécules, telles que les protéines, ont des structures tridimensionnelles similaires mais des séquences génétiques très différentes. La question qui le tourmentait était: Ces structures similaires étaient-elles des exemples d’évolution convergente ou des preuves d’ascendance commune?
“Toutes les preuves classiques d’une ascendance commune sont qualitatives et reposent sur des similitudes partagées”, explique Theobald. Il voulait savoir si se concentrer sur ces similitudes égarait les scientifiques.
Hypothèses abandonnées
La plupart des gens et même des scientifiques partent du principe que les similitudes génétiques impliquent une relation ou un ancêtre commun. Mais comme pour les similitudes d’apparence physique ou de structure, ces hypothèses “peuvent être critiquées”, note Theobald. La sélection naturelle a fourni de nombreux exemples d’évolution physique convergente, tels que les contes préhensiles des opossums et des singes araignées ou les longues langues collantes mangeuses d’insectes des fourmiliers et des tatous. Et avec le transfert horizontal de gènes en plus de cela, des arguments similaires pourraient être avancés pour les séquences génétiques.
“J’ai vraiment pris du recul et j’ai essayé d’assumer le moins possible en faisant cette analyse”, explique Theobald. Il a exécuté divers modèles évolutifs statistiques, y compris ceux qui prenaient en compte le transfert horizontal de gènes et d’autres qui ne le faisaient pas. Et les modèles qui ont pris en compte le transfert horizontal de gènes ont fini par fournir le support le plus statistique pour un ancêtre commun universel.
Origines troubles
Theobald dit que ses résultats les plus surprenants étaient “la force avec laquelle ils soutiennent l’ascendance commune.”Plutôt que d’être déçu de simplement sauvegarder une hypothèse de longue date, il dit qu’au moins, “c’est toujours agréable de savoir que nous sommes sur la bonne voie.”
Ces résultats ne signifient pas qu’un ancêtre commun universel établit le modèle de “l’arbre de vie” pour la dynamique évolutive précoce. Cependant, ils n’en déduisent pas non plus une structure de “toile de vie”. Le débat sur l’arbre contre le web reste “très controversé en ce moment en biologie évolutive”, dit Theobald, réticent à choisir lui-même son camp.
L’une des autres grandes inconnues qui subsistent est le moment où cet ancêtre commun universel a vécu et à quoi il aurait pu ressembler — une question à laquelle il faudra plus que les modèles statistiques de Theobald pour répondre. Theobald note également que le soutien à un ancêtre commun universel n’exclut pas l’idée que la vie a émergé indépendamment plus d’une fois. Cependant, si d’autres lignées entièrement distinctes ont émergé, elles se sont éteintes ou restent encore inconnues.
La recherche se poursuivra probablement dans ces coins sombres de l’évolution précoce, note Penny, car “les scientifiques ne sont jamais satisfaits.”Il s’attend à ce que les chercheurs essaient de trier encore plus tôt, avant que l’ADN ne prenne le relais, et d’évaluer les premiers stades de l’évolution pendant les jours d’ARN.
Sur un plan plus fondamental, dit Penny, le document ne devrait pas mettre fin à l’évaluation des hypothèses ancestrales. Cela devrait plutôt rappeler que “nous n’avons jamais pensé à toutes les hypothèses possibles”, dit-il. “Nous ne devrions donc jamais cesser d’envisager une nouvelle approche à laquelle nous n’avons pas encore pensé.”
* Erratum (13/5/10) : Cette phrase a été modifiée après publication. Il a déclaré à l’origine qu’un ancêtre commun universel est plus de 10 fois plus probable.