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Quand l’environnement change, l’évolution accélère

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Comment des organismes peuvent-ils s'adapter à l'environnement quand celui-ci se modifie lui-même en permanence ? Pas de problème ! Selon un nouveau modèle informatique, le rythme d'évolution accélère de lui-même quand l'environnement change la donne.

Fruit de millions d’années d’évolution, cet éléphant asiatique est adapté de multiples manières à son environnement, pour se défendre, se nourrir, se reproduire et même pour rester propre. © Kalyan Varma

Pour évoluer, les espèces doivent changer au fil des générations. Mais il en faut des milliers pour parvenir à des êtres vraiment différents. Or, pour des organismes à grande longévité, comme les animaux, ce délai se mesure en milliers d'années et, pendant ce temps, le milieu change lui aussi. L'espèce n'aura alors pas le temps de s'adapter parfaitement et devra prendre une autre direction évolutive pour se conformer à son environnement. L'évolution de l'espèce ressemblerait alors à une trajectoire erratique, une course sans fin avec changements de directions et même retours en arrière.

Avec un tel patinage de l'évolution, la question se pose réellement de savoir si les trois milliards d'années sont suffisants pour expliquer la diversité actuelle. Oui, répondent trois biologistes israéliens de l'Institut Weizmann, Nadav Kashtan, Elad Noor et Uri Alon. Car l'évolution augmente son rythme quand le milieu change. Leur affirmation ne vient pas d'une étude raffinée des séries de fossiles mais de l'observation d'un programme informatique.

Depuis quelques années, en effet, les biologistes utilisent l'ordinateur pour créer des modèles d'évolution à toutes les échelles, celle des écosystèmes, celle des organismes et même celles des cellules et des molécules. Le résultat est toujours très théorique et bien éloigné des travaux des naturalistes (de plus en plus rares)... C'est le cas de l'étude effectuée à l'équipe de l'Institut Weizmann, qui a introduit dans ses modèles, agissant au niveau des populations, les paramètres d'un environnement changeant.

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En réponse, leurs populations, constituées de variables numériques, se modifient plus ou moins vite (cette vitesse étant mesurée par le nombre de générations nécessaires pour parvenir à un état adapté au nouvel environnement). Selon les conditions du changement, arbitrairement imposées dans le logiciel, il arrive même que le rythme d'évolution devienne plus élevé que dans un environnement stable. Cette réaction survient quand les biologistes imposent ce qu'ils appellent des « sous-objectifs », une notion que l'équipe avait déjà introduite dans de précédentes travaux.

Au lieu de s'adapter à un objectif unique - dans la nature, ce pourrait être une température plus basse ou un environnement moins boisé, par exemple -, les espèces modélisées doivent chercher une série objectifs plus précis, mais dont chacun dépend de l'objectif global. « Pour un organisme, explique Nadav Kashtan, les sous-objectifs sont par exemple la survie face aux prédateurs, la quête de nourriture ou le succès reproductif. Chacun de ces sous-objectifs doit être atteint dans tous les nouveaux environnements imposés à la population, mais avec des différences dans les détails et dans les interférences entre eux. Par exemple, nous observons une forte accélération de l'évolution quand, dans le programme informatique, nous changeons de façon répétée un « Ou » pour un « Et » entre les sous-objectifs, ce qui revient à modifier les relations entre les voies évolutives menant à la réalisation de chacun des sous-objectifs. »

Le moins que l'on puisse dire est que le raisonnement n'est pas simple à suivre mais il satisfait les scientifiques de l'équipe... Selon eux, cette modularité dans les objectifs à atteindre doit être fréquente dans la nature et jouer un grand rôle dans le rythme de l'évolution des espèces. Par exemple, une population animale qui vit dans un environnement de moins en moins boisé, devenant progressivement une savane, et qui répond  par une augmentation de taille pour voir les prédateurs de loin, devra aussi trouver d'autres stratégies pour se nourrir ou pour se reproduire. La pression sélective se fait plus forte et les changements s'accélèrent.

Sur le plan théorique, cette étude fera aussi évoluer cette science toute neuve de la simulation des écosystèmes. Après tout, les astronomes en usent déjà beaucoup et avec succès pour reconstituer le passé ou l'avenir de galaxies entières, même quand elles s'entrechoquent en collisions cosmiques. Les biologistes aussi peuvent sans doute en attendre quelques lumières...