Évolution libérée

Faut-il sérieusement revoir la biologie évolutive, ou n'y a-t-il pas de «révolution» en vue?

Lorsque des chercheurs de l'Université Amory à Atlanta ont formé des souris à être alarmés par l'odeur des amandes (à l'aide de décharges électriques), ils ont constaté avec horreur que les enfants et les petits-enfants de ces souris avaient peur de l'odeur des amandes. Mais cela ne devrait pas l'être. De nombreuses générations d'écoliers ont appris qu'il était impossible d'hériter des propriétés acquises. Une souris ne peut pas naître avec les connaissances acquises par ses parents - c'est comme si une souris qui avait perdu la queue lors d'un accident donnerait naissance à une souris sans queue.

Il n'y a rien de honteux à ne pas connaître l'état de la biologie évolutive moderne, à moins bien sûr que vous ne soyez biologiste. Elle remonte à la synthèse des sciences, née en 1940-60, mariant le mécanisme de sélection naturelle , découvert par Charles Darwin , avec la découverte de l' héritage des gènes de Gregor Mendel . L'approche traditionnelle, toujours en vigueur, suggère que l'adaptation - tout, du cerveau humain à la queue du paon - s'explique pleinement et de manière satisfaisante par la sélection naturelle (et l'héritage ultérieur). Cependant, avec l'avènement de nouvelles idées issues de la génomique , de l' épigénétique et de la biologie du développement, la plupart des évolutionnistes conviennent que leur domaine de connaissances est en train de changer. De nombreuses données suggèrent que le processus d'évolution est beaucoup plus complexe qu'on ne le pensait.

De nombreux spécialistes de la biologie évolutive , dont moi-même, appellent à étendre la description de la théorie de l'évolution à la soi-disant «synthèse évolutive étendue» (SEE). La question principale est de savoir si ce qui arrive aux organismes au cours de leur vie - leur développement - un rôle important et imprévu dans l'évolution. L'opinion orthodoxe a déclaré que le processus de développement n'est pour la plupart pas lié à l'évolution, mais les opinions de RES le considèrent comme le plus important. Des partisans autoritaires et éminents des deux approches se rassemblent des deux côtés de ce différend; les principaux professeurs des universités de la ligue de lierre et les membres des académies d'État s'affrontent sur les mécanismes évolutifs. Certaines personnes commencent même à soupçonner qu'une révolution se prépare dans ce domaine.

Dans son livre Sur la nature de l'homme (1978), le biologiste évolutionniste Edward Wilson a déclaré que la culture humaine est en laisse génétique. Cette métaphore a été controversée pour deux raisons. Premièrement, comme nous le verrons, il est également vrai que la culture tient les gènes en laisse. Deuxièmement, si l'apprentissage culturel est influencé par des tendances génétiques, peu de différences culturelles peuvent s'expliquer par les différences génétiques existantes.

Cependant, cette phrase peut expliquer beaucoup de choses. Imaginez une personne (gènes) marchant et essayant de contrôler un dogue musculaire (culture humaine). La trajectoire de cette paire (le chemin de l'évolution) reflète le résultat de leur lutte. Imaginez maintenant que la même personne se bat contre plusieurs chiens marchant sur des laisses de longueurs différentes, chaque chien le tirant dans sa direction. Ces gorgées décrivent l'influence des facteurs de développement - épigénétique, anticorps, hormones transmises par les parents, ainsi que le patrimoine écologique et culturel.
Les troupeaux de chiens comprennent l'hérédité épigénétique, culturelle et environnementale, ainsi que l'influence parentale et la plasticité cérébrale

Une personne qui combat un chien qui marche est une bonne métaphore de la façon dont RES décrit le processus d'adaptation. Cela nécessite-t-il une révolution dans l'évolution? Pour répondre à cette question, vous devez comprendre comment fonctionne la science. Et ici, les autorités ne sont pas des biologistes, mais des philosophes et des historiens des sciences. Le livre de Thomas Kuhn, The Structure of Scientific Revolutions (1962), a popularisé l'idée que la science évolue à travers les révolutions de la compréhension. On croyait que ces «changements de paradigme» suivaient la crise de confiance dans l'ancienne théorie, qui se manifeste lors de l'accumulation de données contradictoires.

Il y a aussi Karl Popper , et son hypothèse selon laquelle les théories scientifiques ne peuvent pas être prouvées, mais peuvent être réfutées ou falsifiées . Considérez l'hypothèse: "Tous les moutons sont blancs." Popper a soutenu qu'aucune quantité de preuves confirmant cette hypothèse ne peut servir de preuve, car il est impossible d'exclure la possibilité qu'à l'avenir il existe des preuves la contredisant; à l'inverse, l'observation d'un seul mouton noir va définitivement réfuter cette hypothèse. Il a soutenu que les scientifiques devraient s'efforcer de réaliser des expériences cruciales qui pourraient potentiellement réfuter leur théorie.

Et bien que les idées de Kuhn et Popper soient bien connues, du point de vue des philosophes et des historiens, elles restent controversées. L'état actuel de ces domaines est mieux formulé par le philosophe hongrois Imre Lakatos dans le livre «Méthodologie de la recherche scientifique» (1978):

L'histoire de la science réfute à la fois Popper et Kuhn: à y regarder de plus près, le critère de Popper et la révolution de Kuhn se révèlent être des mythes.

L'argument de Popper peut sembler logique, mais il ne correspond pas toujours au fonctionnement de la science dans le monde réel. Les observations scientifiques sont sujettes à des erreurs de mesure; les scientifiques sont des gens attachés à leurs théories; les théories scientifiques peuvent être extrêmement compliquées - à cause de cela, l'évaluation des hypothèses scientifiques est terriblement confuse. Au lieu d'accepter que notre hypothèse soit fausse, nous critiquons la méthodologie («Ce mouton n'est pas noir, votre instrument est faux»), discutons d'interprétation («Le mouton est juste sale»), apportons des corrections à l'hypothèse («J'ai l'esprit des moutons domestiques, pas des mouflons sauvages "). Lakatos appelle ces corrections et accessoires "une hypothèse auxiliaire"; les scientifiques les proposent afin de protéger les idées "de base" afin qu'elles ne soient pas rejetées.

Un tel comportement est clairement perceptible dans le débat scientifique sur l'évolution. Prenez l'idée que de nouvelles propriétés acquises par le corps tout au long de la vie peuvent être transmises à la prochaine génération. Cette hypothèse est devenue largement connue au début du XIXe siècle grâce au biologiste français Jean-Baptiste Lamarck, qui l'a utilisée pour expliquer l'évolution. Cependant, on a longtemps cru qu'il avait été réfuté expérimentalement - à un point tel que le terme «lamarckien» a une connotation péjorative dans les cercles évolutionnaires, et tout chercheur qui exprime de la sympathie pour cette idée, en fait, obtient la stigmatisation d'un «excentrique». La sagesse acquise par les parents ne peut pas influencer la caractérisation de leur progéniture.

C'est vraiment possible. La façon dont l' expression des gènes forme le phénotype du corps - ses véritables caractéristiques - est influencée par les produits chimiques qui s'attachent aux gènes. Tout, du régime alimentaire à la pollution de l'air et au comportement parental, peut affecter l'ajout ou la suppression de ces marqueurs chimiques, ce qui peut entraîner l'activation et la désactivation des gènes. Habituellement, ces soi-disant Les additifs «épigénétiques» sont supprimés lors de la production de spermatozoïdes et d'ovules, mais il s'avère que certains d'entre eux échappent à la décharge et sont transmis à la génération suivante avec les gènes. Ce processus est appelé «hérédité épigénétique» et de plus en plus de recherches confirment sa réalité.

Revenons aux souris, qui avaient peur des amandes. Les souris ont pu hériter de la peur grâce à une étiquette épigénétique transmise dans le sperme. En 2011, une autre étude inhabituelle a rapporté que les vers réagissent au contact avec le virus, produisant des facteurs qui étouffent le virus - des produits chimiques qui l'arrêtent - mais, fait intéressant, les générations suivantes de vers héritent épigénétiquement de ces produits chimiques à travers des molécules régulatrices connues sous " petit ARN ". Il existe maintenant des centaines d' études similaires, dont beaucoup sont publiées dans les revues les plus prestigieuses et les plus connues. Les biologistes se demandent si l'hérédité épigénétique est lamarckienne, ou si elle lui ressemble seulement, mais le fait même de l'hérédité des caractéristiques acquises ne peut être évité.

Selon la logique de Popper, la seule démonstration expérimentale de l'hérédité épigénétique - le seul mouton noir - devrait suffire à convaincre les biologistes évolutionnistes de la possibilité de cela. Cependant, pour la plupart, les biologistes évolutionnistes ne se sont pas précipités pour changer leurs théories. Au lieu de cela, comme Lacatos l'a suggéré, nous avons proposé des hypothèses auxiliaires qui nous permettent de maintenir notre point de vue de longue date (c'est-à-dire que l'hérédité est due au transfert de gènes à travers les générations). Cela inclut des idées sur la rareté de l'hérédité épigénétique, qu'elle n'affecte pas les propriétés importantes sur le plan fonctionnel, qu'elle est contrôlée par la génétique et qu'elle est trop instable pour soutenir la propagation des propriétés par la sélection.

Malheureusement pour les traditionalistes, ces tentatives de limiter l'hérédité épigénétique ne semblent pas convaincantes. On sait déjà que l'épigénétique est de nature très courante , et chaque jour de plus en plus d'exemples apparaissent. Il affecte les propriétés importantes sur le plan fonctionnel, telles que la taille des fruits, la période de floraison et la croissance des racines chez les plantes - et bien que seule une petite fraction des variantes épigénétiques soient adaptatives, il en va de même pour les variantes génétiques, de sorte que de telles bases ne conviennent guère pour les éliminer. processus. Dans certains systèmes, où le taux de changements épigénétiques a été soigneusement mesuré, par exemple, une plante Rea Reaper (Arabidopsis thaliana), le taux était suffisamment faible pour que la sélection se produise, conduisant à une évolution cumulative. Les modèles mathématiques montrent que les systèmes à hérédité épigénétique n'évoluent pas comme les systèmes qui reposent uniquement sur l'hérédité génétique - par exemple, la sélection de marqueurs épigénétiques peut entraîner des changements dans la fréquence des gènes. Il ne fait plus de doute que l'hérédité épigénétique nous oblige à changer notre approche de l'étude de l'évolution.

L'épigénétique n'est qu'une partie de l'histoire. De la culture et de la société, nous héritons tous des connaissances et des compétences acquises par nos parents. Les biologistes évolutionnistes ont accepté ce fait il y a au moins cent ans, mais jusqu'à récemment, on pensait que cela ne s'appliquait qu'aux personnes. Mais ce n'est pas si simple : les différentes créatures du règne animal adoptent socialement l'alimentation, la technologie alimentaire, l'évitement des prédateurs, la communication, la migration, les choix d'accouplement et les lieux de reproduction. Des centaines d'études expérimentales ont démontré la disponibilité de l'apprentissage social chez les mammifères, les oiseaux, les poissons et les insectes.

Parmi les données les plus intéressantes figurent des études sur le croisement de grands mésanges et les bluebreaks communs . Lorsque les représentants d'une espèce sont élevés par des représentants d'une autre, ils changent divers aspects du comportement, se rapprochant du comportement de leurs parents adoptifs (notamment la hauteur des arbres où ils se nourrissent, leur choix de proies, leur méthode d'alimentation, leur cri et leur chant, et même le choix d'un partenaire d'accouplement). Tout le monde supposait que les différences de comportement entre les deux espèces étaient génétiques, mais il s'est avéré que de nombreuses traditions sont culturelles.

Chez les animaux, la culture peut durer étonnamment longtemps. Des vestiges archéologiques montrent que les chimpanzés ont utilisé des outils en pierre pour ouvrir les noix pendant au moins 4300 ans. Cependant, pour l'hérédité épigénétique, il serait erroné de supposer que la culture animale devrait présenter une stabilité similaire à la génétique et être évolutivement significative. Au cours d'une seule saison de reproduction, les caractéristiques peuvent être développées dans des qualités que les individus trouvent attrayantes chez leurs partenaires; ce processus a été expérimentalement démontré pour les mouches des fruits, les poissons, les oiseaux et les mammifères, et les modèles mathématiques montrent qu'une telle «copie du choix du partenaire» peut grandement affecter la sélection sexuelle.

Une autre illustration est venue du domaine du chant des oiseaux. Lorsque les jeunes mâles apprennent leurs chansons (généralement des mâles voisins), ils modifient la pression des gènes grâce à la sélection naturelle, ce qui affecte la façon dont les mâles acquièrent les chansons et les chansons que les femelles préfèrent. La transmission culturelle des chants est connue pour encourager l'évolution du parasitisme d'incubation - lorsque les oiseaux, tels que les coucous, ne font pas leur nid et ne pondent pas à d'autres oiseaux - lorsque certains de ces oiseaux parasites comptent sur une formation culturelle pour choisir un partenaire. Elle favorise également la spéciation, car les préférences de certains «dialectes» des chansons contribuent à maintenir les différences génétiques des populations.

De même, les connaissances culturellement acquises sur l'alimentation des orques - lorsque différents groupes se spécialisent dans différents types de poissons, d'otaries à fourrure ou de dauphins - conduisent à leur division en plusieurs espèces. Bien sûr, la culture atteint son potentiel maximum pour notre espèce - il est déjà bien connu que nos habitudes culturelles ont été la principale raison de la sélection naturelle qui s'est produite dans nos gènes. La production de produits laitiers et la consommation de lait ont conduit à la sélection d'une variante génétique qui augmente la production de lactase (une enzyme nécessaire à l'absorption des produits laitiers), et les régimes agricoles féculents ont contribué à une augmentation de l' amylase (l'enzyme correspondante qui décompose l'amidon).

Toutes ces difficultés ne peuvent pas être conciliées avec l'approche exclusivement génétique de l'évolution adaptative, comme de nombreux biologistes l'ont déjà reconnu. Ils indiquent que le processus évolutif dans lequel les génomes (sur des centaines et des milliers de générations), les modifications épigénétiques et les facteurs culturels hérités (sur plusieurs, peut-être des dizaines ou des centaines de générations) et les effets parentaux (au cours d'une seule génération) indiquent ensemble caractéristiques de l'adaptation des organismes. Ces types d'hérédité extragénétiques donnent aux organismes la flexibilité de s'adapter rapidement à l'environnement et entraînent des changements génétiques - tout comme une meute de chiens bruyants.

Malgré toutes ces nouvelles données passionnantes, il est peu probable qu'elles amorcent une révolution dans l'évolution, car la science ne fonctionne pas comme ça - du moins l'étude de l'évolution. Le changement de paradigme Kunovsky, comme les expériences critiques de Popper, est plus proche des mythes que de la réalité. Étudiez l'histoire de la biologie évolutive et vous ne verrez rien qui ressemble à une révolution. Même l'acceptation générale de la théorie de l'évolution de Charles Darwin par la sélection naturelle a pris environ 70 ans à la communauté scientifique, et au tournant du 20e siècle, ils l'ont regardée avec un grand scepticisme. Au cours des décennies suivantes, de nouvelles idées sont apparues, elles ont été évaluées de manière critique dans la communauté scientifique et elles ont progressivement rejoint les connaissances existantes. Pour l'essentiel, la biologie évolutive a été mise à jour sans connaître de périodes de «crise» particulières.

La même chose se produit aujourd'hui. L'hérédité épigénétique ne réfute pas la génétique, mais montre qu'elle n'est qu'un des nombreux mécanismes d'hérédité des propriétés. Je ne connais pas un seul biologiste qui veuille casser des manuels ou jeter la sélection naturelle. Le débat sur la biologie évolutive vise à savoir si nous voulons élargir notre compréhension des causes de l'évolution et si elles changent la façon dont nous considérons le processus dans son ensemble. En ce sens, la «science ordinaire» est en train de se produire.

Pourquoi alors les traditionalistes parmi les biologistes évolutionnistes se plaignent-ils d'erreurs radicales errantes faisant campagne pour un changement de paradigme? Pourquoi les journalistes écrivent-ils des articles sur des scientifiques appelant à une révolution dans la biologie évolutive? Si personne n'a besoin d'une révolution et que les révolutions scientifiques se produisent rarement dans tous les cas, de quoi s'agit-il? La réponse à cette question donne une compréhension très intéressante de la sociologie en biologie évolutive.

Une révolution dans l'évolution est un mythe promu par l'alliance improbable des évolutionnistes conservateurs, des créationnistes et des médias. Je ne doute pas qu'il existe un petit nombre de radicaux sincères et révolutionnaires, mais la plupart des chercheurs travaillant dans le sens d'une synthèse évolutive avancée sont de simples ouvriers de la biologie évolutive.

Tout le monde sait que les sensations vendent bien les journaux et que les articles qui annoncent de grands bouleversements deviennent populaires. Les créationnistes et les partisans de la «création rationnelle» nourrissent cette impression de propagande qui exagère les divergences d'opinion parmi les évolutionnistes et donne une fausse impression des cataclysmes qui se produisent dans le domaine de la biologie évolutionniste. Ce qui est encore plus surprenant, c'est la façon dont les biologistes conservateurs affirment que leurs collègues évolutionnistes mènent une guerre contre eux.Décrire votre adversaire comme un extrémiste et dire aux gens comment ils sont attaqués est une vieille tactique rhétorique visant à gagner un différend ou à gagner des adhérents.

J'ai toujours associé de tels jeux à la politique, pas à la science, mais maintenant je comprends que j'étais naïf. Certaines des fraudes en coulisses que j'ai observées, conçues pour empêcher la propagation de nouvelles idées par tous les moyens, m'ont choqué et ne correspondaient pas à la pratique dans d'autres domaines scientifiques que je connaissais. Les scientifiques sont également en jeu dans les carrières et le patrimoine, ainsi que dans le financement, l'influence et le pouvoir. Cela me dérange que la rhétorique des traditionalistes soit contre-productive, mène à la confusion et alimente involontairement le créationnisme, exagérant la taille des chances. Trop de scientifiques respectés ressentent le besoin de changements dans la biologie évolutive, afin que tous puissent être éliminés, classés comme radicaux.

Si la synthèse évolutive étendue n'est pas un appel à une révolution dans l'évolution, alors qu'est-ce que c'est et pourquoi en avons-nous besoin? Afin de répondre à ces questions, il faut admettre ce que Kuhn avait raison - à savoir que dans chaque domaine scientifique, il existe de nombreuses façons de penser partagées par beaucoup, ou «plates-formes conceptuelles». La biologie évolutive n'est pas très différente dans ce sens, et nos valeurs et hypothèses partagées affectent les données collectées, la façon dont elles sont interprétées et les facteurs impliqués dans l'explication du fonctionnement de l'évolution.

Par conséquent, le pluralisme est nécessaire pour la science. Lakatos a souligné que les plates-formes conceptuelles alternatives - ce qu'il a appelé divers «programmes de recherche» - peuvent être utiles dans le sens où elles encouragent le développement et le test de nouvelles hypothèses ou conduisent à des idées innovantes. C'est la fonction principale des SER - nourrir et découvrir de nouveaux domaines de recherche et des méthodes de pensée productives.

Un bon exemple est le «biais de développement». Imaginez des poissons cichlidés intéressants d'Afrique de l'Est. Pour des dizaines, et peut-être des centaines, d'espèces de cichlidés du lac Malawi, il existe des «copies» d'espèces évoluées indépendamment dans le lac Tanganyika- avec une forme corporelle et une façon de manger étonnamment similaires. Cette similitude s'explique généralement par une évolution convergente: des variantes génétiques aléatoires sont apparues comme d'habitude, mais des conditions environnementales similaires ont choisi des gènes qui ont conduit à des résultats équivalents. La façon dont les organismes grandissent et se développent peut limiter les propriétés qui apparaissent, mais la variation elle-même est considérée comme essentiellement aléatoire.

Cependant, le niveau extrême de parallélisme dans l'évolution de ces deux lacs suggère la possibilité de facteurs supplémentaires. Et si certaines méthodes de production de poisson sont plus probables que d'autres? Et si une variation des propriétés est encline à certaines décisions? La reproduction ferait toujours partie de l'explication, mais une évolution parallèle serait plus probable.

Les dents molaires chez les mammifères fournissent certaines des preuves les plus convaincantes d'une telle distorsion. Des études montrent que vous pouvez utiliser un modèle mathématique basé sur des souris de laboratoire pour prédire la taille et le nombre de dents de 29 autres types de rongeurs. Au lieu de développer librement n'importe quelle forme ou nombre de dents, la sélection naturelle semble conduire les espèces le long d'un chemin très spécifique créé par des mécanismes de développement. L'existence d'exceptions - des rongeurs comme des campagnols, avec un nombre différent de dents - démontre que l'ancienne façon de penser (que les restrictions de développement affectent la sélection) n'est pas entièrement vraie. L'influence du développement est plus subtile et plus intéressante: les mécanismes de développement déforment le paysage pour la sélection et aident à déterminer quelles caractéristiques doivent apparaître.

Ces études sont passionnantes car elles aident la biologie évolutive à devenir une science plus prédictive. Pourquoi ces idées n'ont-elles pas reçu autant d'attention jusqu'à récemment? Nous revenons aux plateformes conceptuelles. Historiquement, les biologistes évolutionnistes ont interprété la distorsion des variations du phénotype comme une «limitation» - une explication des raisons pour lesquelles l'évolution ou l'adaptation ne s'est pas produite. La façon dont les organismes se développent limite les opportunités que vous pouvez acquérir ou à quoi vous pouvez vous adapter. Les évolutionnistes à l'esprit traditionnel ont peu parlé de cela et n'ont pas accepté le rôle positif du développement comme cause du changement et direction de l'évolution.

Il a fallu un point de vue différent (dans ce cas, la biologie évolutive), pour l'émergence d'une motivation pour de telles expériences. Du point de vue de la biologie évolutive, la distorsion explique en partie l'évolution et l'adaptation qui se sont produites. Les dents des rongeurs et les corps des poissons ressemblent à ceci parce que la façon dont ces créatures ont grandi augmente la probabilité d'apparition de telles caractéristiques. La distorsion devient un concept plus important dans les explications évolutives. En mettant ce phénomène en lumière, RES espère qu'il sera étudié.

RES, ou du moins la façon dont il est présenté par mes collègues, est mieux vu comme un programme de recherche alternatif pour la biologie évolutive. Il s'est inspiré de récentes découvertes en biologie évolutive et dans des domaines connexes, et part de l'hypothèse que les processus de développement jouent un rôle important en tant que variations phénotypiques nouvelles (et potentiellement utiles), causes des différences de survie de ces options et raisons de l'hérédité. Contrairement à la façon dont l'évolution était traditionnellement considérée, dans le RES, le fardeau de la créativité dans l'évolution porte plus que la sélection naturelle. Cette façon de penser alternative est utilisée pour proposer de nouvelles hypothèses et de nouveaux programmes de recherche. Jusqu'à présent, nous n'en sommes qu'au début du voyage, mais il y a déjà des signes visibles que ces études commencent à porter leurs fruits.

Si l'évolution ne peut pas être expliquée uniquement par des changements dans la fréquence des gènes; si des mécanismes précédemment rejetés, tels que l'hérédité des caractéristiques acquises, s'avèrent néanmoins importants; si l'évolution de tous les organismes dépend du développement, de la formation et d'autres types de plasticité - tout cela signifiera-t-il l'émergence d'une évaluation radicalement nouvelle et très profonde de l'évolution? Personne ne le sait: mais du point de vue de notre personne adaptative qui promène des chiens, l'évolution ressemble moins à une promenade génétique tranquille qu'à une bataille féroce de gènes essayant de suivre le dur processus de développement.

Kevin Laland - Professeur de biologie comportementale et évolutive à St. Andrews en Écosse, chef de projet, programme de recherche sur la synthèse évolutive avancée. Son dernier livre est Darwin's Unfinished Symphony: How Culture Made the Human Mind, intitulé Darwin's Unfinished Symphony: How Culture Created the Human Mind.