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Diversification non génétique

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Objectif(s)
  • Comprendre comment la diversification des êtres vivants peut-elle être générée sans l’intervention du génome.
  • Décrire des mécanismes qui peuvent conduire à une diversification des êtres vivants sans modification génétique.
Points clés
  • La diversité entre les individus d’une même espèce peut ne pas être liée à une différence génétique.
  • Deux grands mécanismes permettent d’acquérir des caractères nouveaux sans modification du génome :
    • La symbiose qui consiste en l’association durable et mutuellement bénéfique de deux espèces différentes.
    • L’apprentissage qui consiste en l’observation et l’imitation d'individus expérimentés par les plus jeunes.
  • Les symbioses entre plantes et champignons (ou bactéries) modifient la capacité de la plante à exploiter le milieu.
  • Le microbiote des humains est influencé par l’alimentation. En retour, le type de microbiote peut avoir un grand impact sur la santé de l’individu.
  • Le phénotype étendu peut être constitué de comportement appris et transmis localement, sans être déterminé génétiquement.
  • Des proto-cultures peuvent être observées entre différentes populations de la même espèce.


Pour bien comprendre
  • Le phénotype d’un individu dépend de son génotype et de son environnement.
  • Seul le patrimoine génétique est transmis par la reproduction. C’est la “non transmission” des caractères acquis.
  • Les mutations créent de la diversité génétique au sein des populations.
  • Un allèle conférant un avantage de survie ou reproductif est favorisé par sélection naturelle. Progressivement sa fréquence augmente dans la population.

La diversification des êtres vivants résulte pour une majorité de l’expression des allèles, qui varie d’un individu à l’autre au sein d’une même espèce, et des brassages génétiques qui surviennent lors de la méiose et de la fécondation.
D’autres mécanismes peuvent conduire à une diversification des êtres vivants : des associations entre plusieurs êtres vivants (ou symbioses) et la transmission culturelle des comportements (ou apprentissage).

1. La symbiose : une association durable

Un très grand nombre de végétaux possèdent un système racinaire associé à des champignons : c'est la mycorhize. Dans cette association, la plante bénéficie de l’eau et des éléments minéraux efficacement absorbés par le champignon tandis que ce dernier utilise les molécules organiques synthétisées par la plante grâce à la photosynthèse.

Si on observe la croissance d’un végétal comme le basilic, on constate qu’elle est plus rapide en présence de champignons à mycorhizes. Les racines contiennent de nombreux filaments mycéliens ce qui augmente leur surface d’absorption dans le sous-sol.



D’autres associations réalisées au niveau du système racinaire existent. Elles impliquent cette fois des bactéries du genre rhizobium. Ces bactéries sont contenues dans des nodosités (renflements) le long des racines de certaines espèces comme le soja ou la luzerne. Elles favorisent l’utilisation de l’azote atmosphérique par la plante. En contrepartie, les bactéries utilisent le saccharose produit par la plante comme source d’énergie.

La symbiose n’est pas réservée au monde végétal seul ; elle opère également entre des espèces animales et des algues. C’est le cas de certains cnidaires, des animaux formant les coraux. La présence d’une algue unicellulaire, la zooxanthelle, leur donne leur couleur jaune-brun.

La symbiose est donc l’association de deux êtres vivants. Cette association est plus ou moins pérenne et est bénéfique à chacun des organismes. Elle leur permet d’acquérir de nouveaux caractères sans modification de leur génome.

 

2. La diversité du microbiote

Le microbiote désigne l’ensemble des bactéries, archées, champignons et virus vivant en contact permanent avec les muqueuses du corps humain, en particulier dans le système digestif.

Bien loin d’être une menace, ces organismes sont au contraire indispensables pour l’organisme et remplissent de nombreuses fonctions, telles que la digestion de molécules complexes, mais aussi la maturation du système digestif ou la protection contre certains microorganismes pathogènes. On sait aujourd’hui que le microbiote a une influence sur la maturation du système immunitaire, la croissance, et le développement cérébral.

Le microbiote est désormais considéré comme un organe en soi, constitué d'environ 1014 cellules, principalement bactériennes, et pesant entre 1 et 2 kg. Les techniques de séquençage à haute fréquence ont permis ces dernières années de connaître de façon beaucoup plus approfondie la composition et la diversité du microbiote.

Le tractus digestif de l’enfant après sa naissance est stérile et ne contient aucune bactérie. Grâce à l’alimentation et aux contaminations provenant de son environnement, le nourrisson acquiert progressivement son propre microbiote. Celui-ci est stabilisé vers 3 ans.

Des études ont montré qu’un millier d'espèces microbiennes entrent dans la composition du microbiote humain. Cependant, chaque individu possède une composition unique d'environ 160 espèces.

La biodiversité du microbiote est dominée par quelques groupes microbiens principaux. Selon le groupe majoritaire, les scientifiques ont dénombré 3 grands groupes de microbiote chez les humains, nommés entérotypes. Chaque humain serait donc caractérisé par un entérotype propre, un peu à la manière de son groupe sanguin. Cependant, au contraire du groupe sanguin, qui est déterminé par le patrimoine génétique de l’individu, I’entérotype d’un individu dépend de son environnement, en particulier de son alimentation. Par exemple la quantité de viande et de graisse animale consommée par l’individu, la part de végétaux et de crudités, etc.

Les études ont en particulier démontré l’importance de la consommation de fibres végétales pour la richesse du microbiote. Par exemple, les régimes des populations occidentales, souvent relativement pauvre en fibres par rapport à des alimentations « traditionnelles », entraînent un appauvrissement de la diversité du microbiote. (note : on trouve des fibres dans les céréales complètes par exemple). Il est également démontré qu’un microbiote riche et diversifié est bénéfique pour la santé. En particulier, il aide l’organisme à se prévenir de maladies telles que le diabète de type 2 et le cancer.

Le microbiote démontre ainsi que l’individu n'est pas déterminé uniquement par son ADN. C’est un organe composé de cellules non-humaines, mais indispensables à la vie en bonne santé et dont la composition dépend principalement de l’alimentation. Le système digestif est donc une symbiose entre des cellules humaines et des microorganismes, avec un bénéfice mutuel. Une vision de l’humain comme un être « chimérique » émerge progressivement des études portant sur le microbiote.

3. La transmission culturelle

De nombreux animaux présentent des traits comportementaux indispensables à leur survie et leur reproduction, comme les stratégies de recherche de nourriture, la construction d’un nid et les parades nuptiales. Puisque que ces caractères comportementaux se réalisent « en dehors » du corps de l’animal, on les nomme phénotypes étendus.

Le phénotype étendu désigne donc tous les caractères d’un organisme qui se situent hors de son corps. Il s’agit principalement de son comportement et de l’environnement qu’il construit (nid, terrier, relation sociale, etc.).

Comme tous les caractères transmissibles qui ont un impact sur la survie et la reproduction, le phénotype étendu est un facteur évolutif sur lequel agit la sélection naturelle.

Les comportements des animaux sont déterminés par leurs gènes, par l’intermédiaire du développement du cerveau. Ainsi la diversité de comportements existant entre les individus d’une même espèce peut être expliquée par leur diversité génétique.

Cependant depuis la fin du 20ème siècles, des comportement acquis et transmissibles ont été observées chez de nombreux animaux. Dans ce cas, ces caractères comportementaux ne peuvent pas être déterminés par l’ADN.

a. L'utilisation d'outils chez les primates

L’apprentissage est très important chez les primates.

Par exemple l’utilisation d’outils chez les chimpanzés est transmise entre génération par apprentissage. Les individus plus jeunes imitent les individus âgés et reproduisent leur façon d’utiliser des outils (branche, pierre) afin d’accéder à de la nourriture.

De plus, il a été observé que des populations de chimpanzés vivant sur des territoires différents n’utilisaient pas ces outils de la même manière, il existait des variations comportementales et ces différences régionales ne pouvaient pas être expliquées par une différence génétique entre les populations. Les chercheurs considèrent ces différences régionales comme des formes de proto-cultures animales.

Expérience
On utilise un dispositif permettant à un chimpanzé de se nourrir en actionnant une baguette en bois. Plusieurs groupes de chimpanzés sont étudiés :
  • Groupe 1 : les chimpanzés observent un singe ayant appris le maniement du dispositif (singe « expert ») pendant 7 jours ; 12 des 16 singes testés sont capables de se nourrir efficacement grâce à ce dispositif durant la période d’expérimentation. Au bout de deux mois, 8 singes sont encore capables de se nourrir en utilisant le dispositif.
  • Groupe 2 : les chimpanzés n’ont pas eu l’occasion d’observer un singe « expert ». Aucun n’est capable d’utiliser le dispositif.

L’acquisition de nouveaux caractères, dans ce cas, s'est faite par l'observation d’individus plus âgés et plus expérimentés. En outre, il n'est pas à exclure que certaines espèces apprennent de nouveaux comportements en observant ceux d'autres espèces.

 

b. L'apprentissage du chant chez les oiseaux

Chez de nombreux oiseaux, le chant est en partie influencé par l'apprentissage. Les jeunes imitent le chant de leurs congénères. Ainsi de véritables dialectes d’oiseaux ont été observés en comparant le chant de populations vivant dans des régions éloignées. Cette diversité comportementale acquise est indépendante du génome des individus.

Au moment de la reproduction, le chant des oiseaux constitue un signal auditif important qui favorise la reconnaissance et le rapprochement des partenaires.

Expérience
Un Diamant mandarin adulte est capturé et mis en présence d’un jeune oiseau durant son élevage. On compare les enregistrements du chant de ces deux oiseaux, pris à différents moments de leur vie, à celui d’un oiseau élevé seul.

Observation

On constate que le jeune oiseau élevé en présence d’un adulte présente un chant structuré proche de celui de l’adulte, alors que l’oiseau élevé seul présente un chant déstructuré.

Conclusion
L’apprentissage du chant s’est fait par imitation de l’adulte.

 

c. La recherche de nourriture chez les dauphins

Des formes d’apprentissage des techniques de recherche de nourriture ont également été observées chez des cétacés, comme les orques ou les dauphins.

Par exemple, en 1984, des scientifiques ont observés un comportement nouveau chez des dauphins de Shark Bay, en Australie occidentale. Les individus recouvraient l’extrémité de leur bec d’éponge prélevée dans le milieu. Les dauphins agissaient ainsi pour se protéger des rochers du fond marin lorsqu’ils recherchaient des poissons. Ce comportement s’est ensuite propagé à toute la population de dauphins par imitation des autres individus.

La diversité entre les individus n’est pas uniquement due à des variations génétiques. Les symbioses et les comportements appris peuvent créer de la diversité entre les individus d’une même espèce sans que leurs patrimoines génétiques respectifs soient modifiés.

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