E :On pense généralement que l’évolution se fait lentement, ponctuée uniquement de perturbations écologiques importantes telles que la pollution ou la destruction de l’habitat. Mais une étude publiée aujourd’hui (17 mars) dans : La science: constate que l’évolution peut en fait se produire assez rapidement pour permettre l’adaptation aux changements saisonniers qui se produisent chaque année – au moins chez les mouches des fruits (Drosophile melanogaster :).
Dans une expérience de terrain contrôlée à grande échelle d’une durée de quatre mois, les scientifiques ont documenté des modifications de 60% des gènes des mouches. Les chercheurs ont également observé des changements prononcés et rapides de six caractéristiques physiques liées à la survie de juillet à novembre.
“Le rythme et l’ampleur de ces changements sont sans précédent”, déclare le co-auteur de l’étude, Paul Schmidt, biologiste de l’évolution à l’Université de Pennsylvanie. Le scientifique. « Le rythme de l’évolution a été incroyablement surprenant. C’est ultra rapide.”
Les mouches des fruits sont déjà connues pour évoluer à un rythme rapide. Dans les études en laboratoire, les insectes développent une résistance aux facteurs de stress comme les environnements secs et les températures froides en 8 à 9 générations. En revanche, la nouvelle étude a documenté des changements dans les caractéristiques physiques des mouches sur des échelles de temps plus courtes – sur trois à quatre générations, chacune pouvant durer un mois ou plus. Des études antérieures ont également porté sur de plus petites populations de mouches, de l’ordre de 2 000 à 3 000 individus, alors que cette étude avait une taille d’échantillon beaucoup plus grande. Au plus fort de l’étude, le nombre de mouches dans l’expérience a atteint 100 000.
Cette étude s’appuie sur les expériences de terrain précédentes du groupe, dans lesquelles ils ont découvert que les caractéristiques physiques des mouches des fruits – de la tolérance à la déshydratation à la coloration – changent considérablement au cours d’une année. Mais les chercheurs n’ont pas pu écarter la possibilité que des populations de mouches extérieures se soient déplacées dans la zone entre les échantillonnages, provoquant les changements observés. Ainsi, pour la nouvelle étude, Schmidt et ses collègues ont décidé de construire une grande structure quasi extérieure pour simuler le plus fidèlement possible les conditions sur le terrain tout en contrôlant ce qui entre et sort.
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L’équipe a construit dix cages grillagées extérieures, chacune contenant un arbre fruitier. Dans les cages, les mouches ont connu la pluie, le froid et le soleil. À l’intérieur de chaque cage, les chercheurs ont contrôlé la nourriture que les mouches mangeaient, les microbes auxquels elles étaient exposées, ainsi que leurs prédateurs et parasites. Au début de l’expérience, ils ont ensemencé les cages avec 1 000 mouches chacune, descendantes d’une population originaire de Pennsylvanie.
Enclos du verger expérimental de l’Université de Pennsylvanie :
Eric sucer :
L’étude a mesuré comment six traits physiques différents associés à la survie, tels que la tolérance à la dessiccation et la fécondité, ont changé à quatre moments expérimentaux en échantillonnant 2 500 œufs de chaque cage à un, deux, trois et quatre mois après le début de l’expérience. Ils ont fait éclore ces œufs et évalué les traits physiques des mouches. En raison de la courte durée de vie des mouches, chaque point temporel correspondait à environ quatre générations.
Les chercheurs ont également mesuré l’évolution de la composition génétique des mouches au cours des quatre périodes. À chaque étape, ils ont échantillonné 100 mouches des fruits dans chacune des cages, les ont élevées pendant trois générations pour éliminer tout changement pouvant être transmis par l’épigénétique et ont effectué un séquençage du génome entier regroupé pour tester quels allèles étaient les plus répandus. Les chercheurs ont examiné la réponse parallèle dans toutes les cages à chaque instant pour “définir la réponse unifiée” aux changements saisonniers des conditions environnementales, explique Schmidt.
Les chercheurs ont comparé la vitesse à laquelle les traits physiques des mouches ont changé à une méta-analyse d’études sur le terrain qui ont examiné le changement phénotypique au fil du temps en moins de 200 générations. Ils ont constaté que certains traits physiques évoluaient plus rapidement que ce qui avait été observé dans les études précédentes citées dans la méta-analyse, tandis que d’autres évoluaient à un rythme comparable.
Tout au long de l’expérience, certains traits physiques et allèles ont changé dans une direction juste pour inverser le cours à mesure que les conditions changeaient. D’autres traits n’ont changé que dans une direction tout au long de l’expérience. Les scientifiques disent que des études antérieures ont peut-être examiné des points de temps trop éloignés pour capturer ces oscillations, et ont donc sous-estimé le taux d’adaptation.
Les chercheurs ont observé des changements dans la fréquence des allèles sur 60 % des sites génétiques qu’ils ont analysés, mais ils disent que bon nombre de ces changements sont dus à l’auto-stop génétique, où des changements dans un gène provoquent des altérations ailleurs dans le génome. Grâce à d’autres analyses, ils ont identifié 165 régions du génome qui sont sensibles à la pression sélective indépendamment les unes des autres.
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Les traits phénotypiques qui semblaient sans rapport, tels que la tolérance à la famine et la taille des œufs, ont évolué rapidement en parallèle, ce qui a conduit les chercheurs à conclure que les régions du génome soumises à la pression de sélection la plus forte étaient des voies de signalisation de haut niveau ou des éléments régulateurs qui contrôlaient plusieurs traits à la fois. .
Joseph Graves, biologiste de l’évolution à la North Carolina Agricultural and Technical State University, qui n’a pas participé aux travaux mais a passé le début de sa carrière à étudier l’évolution des mouches des fruits, raconte Le scientifique: que « c’était une bonne étude. Et c’était un travail colossal. » Il n’a cependant pas été surpris par les résultats.
“C’est une expérience à grande échelle qui teste dans un cadre quasi naturaliste des choses qui avaient déjà été établies sur l’évolution expérimentale dans : Drosophile :de la fin des années 1980 aux années 1990 », explique Graves, faisant référence à plus d’une demi-douzaine d’articles rédigés par lui-même et d’autres rapportant que, dans des environnements de laboratoire, Drosophile : développent rapidement une résistance à la dessiccation, à la famine et à d’autres facteurs de stress en parallèle.
Schmidt dit que l’objectif d’études comme celle-ci qui simulent les environnements naturels est de comprendre comment les espèces s’adaptent aux changements globaux, en particulier ceux dus au changement climatique, et d’aider les efforts de conservation. Il dit qu’il est possible que le genre de changements adaptatifs rapides observés dans la nouvelle étude se produisent chez d’autres espèces, même les humains. “L’échelle de temps appropriée pour que cela fonctionne chez l’homme pourrait être de l’ordre de 400 ans. . . . Mais c’est une question ouverte. . . si les pressions de sélection fluctuantes : [happen] sur ces échelles de temps », explique Schmidt.
Les systèmes écologiques changent très rapidement en raison du changement climatique, dit Schmidt, et « si le changement écologique se produit très rapidement et que l’évolution est considérée comme un processus très lent et graduel, les deux ne se rencontreront jamais. . . Ce que nous montrons ici, c’est que l’évolution agit si vite que l’écologie et l’évolution opèrent à la même échelle de temps.”
Therese Markow, biologiste émérite de l’évolution à l’Université de Californie à San Diego, qui n’a pas participé aux travaux, raconte Le scientifique: que “je pense que les données sont très solides.”
Markow ajoute cependant que les expériences « ont été mises en place pour maximiser la quantité de variabilité génétique dans leurs populations de base et leurs populations fondatrices. . . beaucoup d’autres espèces n’ont pas autant de variabilité génétique. » Alors pour pouvoir généraliser à d’autres populations, notamment dans le cadre de la conservation d’espèces menacées, “ce serait vraiment intéressant de faire cette même expérience, mais avec des populations de base qui avaient très peu de variabilité génétique”.
Graves a des réserves similaires. “Lorsque vous atteignez une population de 100 000 personnes, ce qui est l’un des avantages de leur étude, vous avez beaucoup plus de variations génétiques permanentes avec lesquelles travailler, et donc une plus grande capacité à réagir aux changements environnementaux”, dit-il. “Lorsque vous avez affaire à des problèmes de conservation, ce n’est pas le cas.”
« Nous avons montré que ce phénomène : [of rapid evolution] opère réellement dans le monde naturel sur le terrain », explique Schmidt. “Le défi est, pour d’autres personnes et, espérons-le, pour nous aussi, de demander:” Dans quelle mesure ce phénomène est-il général? “”