L'évolution sauve les animaux des catastrophes mortelles

Les simulateurs informatiques trouvent des preuves qu'une combinaison de compétition, de prédation et d'évolution devrait pousser les écosystèmes à la diversité des espèces dans n'importe quelle partie de l'univers.

Les écologistes se demandent depuis longtemps comment différentes espèces de plancton rivalisent pour les mêmes ressources dans les écosystèmes marins

Lors d'une réunion de l'American Society of Naturalists en 1960, le célèbre écologiste britannique J. Evelyn Hutchinson a décrit le « paradoxe du plancton ». Si vous regardez un flacon d'eau de mer, il sera rempli de divers représentants du plancton, en compétition pour les mêmes éléments vitaux et nutriments. Dans le même temps, la sélection naturelle affirme qu'au fil du temps, une niche écologique devrait occuper une espèce - ce concept est connu sous le nom de « principe d'exclusion compétitive ». Ce qui est vrai pour le plancton l'est pour de nombreux protozoaires, plantes, oiseaux, poissons et autres organismes. Comment tant d'espèces concurrentes peuvent-elles exister dans des écosystèmes en coexistence stable?

À partir de ce moment, les écologistes réfléchissent à ce paradoxe ennuyeux, mais se calment généralement en proposant l'hypothèse de tuer le vainqueur (KTW) comme solution. Il est basé sur la relation prédateur-proie qui existe dans l'écosystème entre certaines espèces. Lorsqu'une espèce commence à évincer ses concurrents, la croissance de sa population permet aux prédateurs qui la mangent de s'épanouir. Les prédateurs réduisent finalement le nombre de victimes (d'où le «tue le vainqueur»). La combinaison de la compétition et de la prédation permet à plusieurs populations d'espèces en guerre de coexister en équilibre. L'hypothèse UP est devenue une explication pratique de la biodiversité pour de nombreux écologistes.


Nigel Goldenfeld et Chi Sue de l'Institut d'astrobiologie et de biologie universelle de la NASA et de l'Institut de génomique biologique Karla Woese

Quand Nigel Goldenfeld, directeur de l'Institut d'Astrobiologie et de Biologie Universelle de la NASA, et Chi Sue, étudiant diplômé dans son laboratoire à l'Institut de Génomique Biologique. Karl Woese, a commencé à étudier plus en détail l'hypothèse UP en 2015, ils n'allaient pas la réfuter. Ils ont étudié exactement quelles propriétés de la vie et des écosystèmes se trouvent partout dans l'espace. La biodiversité semblait être un bon candidat pour une telle propriété. "Si vous regardez les divers écosystèmes isolés de la Terre, vous pouvez trouver la biodiversité partout", a déclaré Sue. Ils étaient intéressés par ce que cette biodiversité pourrait créer et maintenir, et si des facteurs similaires fonctionneraient sur d'autres planètes.

Mais ils ont trouvé les calculs irréalistes qui étaient couramment utilisés dans les modèles pour confirmer l'hypothèse UP. «Ils décrivent les populations comme si des individus individuels n'existaient pas. C'est comme si nous décrivions un liquide sans tenir compte des atomes », a expliqué Goldenfeld dans une lettre. Étant donné que ces modèles ont permis aux populations de se rétablir même après que le nombre d'individus a chuté à quelques pour cent, ils ont sous-estimé la probabilité d'extinction. Goldenfeld et Sue ont appelé ce problème l'absence de «bruit stochastique», car les calculs ne reflètent pas les perturbations de séquence mathématiquement aléatoires imposées par une contrainte du monde réel.

Sue et Goldenfeld ont décidé de refaire les modèles en leur donnant du réalisme. "Nous ne nous attendions pas à ce que l'hypothèse UP cesse de fonctionner", a déclaré Sue. "Nous voulions juste voir si quelque chose change avec l'ajout de bruit."

Les résultats qu'ils ont récemment décrits dans la revue Physical Review Letters se sont révélés désastreux. Les chiffres sur la biodiversité et la coexistence des espèces ne sont pas seulement tombés - ils ont disparu. "En fait, toutes les espèces ont disparu", a déclaré Sue. Lors de tests répétés, les populations fluctuantes de victimes sont tombées constamment à zéro, puis les prédateurs se sont éteints faute de nourriture. Parfois, le système s'est dégradé en une seule paire d'espèces, de proies et de prédateurs, qui a existé pendant un certain temps, mais même ces options n'étaient pas toujours stables. Riche en diversification inhérente à la nature, n'était nulle part.

Mais Sue et Goldenfeld ont franchi une autre étape, incorporant quelque chose qui n'était pas pris en compte par les simulations précédentes: l'évolution. Ils ont permis aux victimes d'améliorer leur capacité à échapper aux prédateurs et aux prédateurs de devenir meilleurs pour attraper des proies.

En conséquence, une course aux armements s'est déroulée lorsque les capacités croissantes des victimes et des prédateurs ont évolué en parallèle, et cela a tout changé. Cette compétition a ajouté une variété d'espèces au système, et les effets de l'UE ont empêché la victoire de l'une des espèces. La biodiversité a fleuri.

Sue et Goldenfeld voient des preuves de la dynamique de la co-évolution dans la nature en génomique. «Si vous étudiez les bactéries et trouvez des zones du génome qui se développent plus rapidement, il s'avère que ces zones sont associées à une résistance aux virus», a déclaré Sue. Comme l'indique leur modèle UP de co-évolution, les effets de la sélection naturelle dans le domaine de la résistance aux virus renforcent une autre motivation - par exemple, il vaut mieux rivaliser avec d'autres bactéries.

Néanmoins, ce n'est pas une preuve complètement convaincante, et les chercheurs envisagent d'étudier plus en profondeur la généralisabilité de leurs conclusions. Ils veulent voir ce qui se passe si les prédateurs sont moins pointilleux sur les victimes. Un autre sujet de réflexion, dit Goldenfeld, est qu'en plus de tuer des bactéries et d'autres cellules, les virus portent parfois des gènes entre eux. Ce double rôle de «prédateur et chauffeur de taxi pour les gènes», a-t-il dit, «peut avoir de graves conséquences pour l'évolution et la stabilité des écosystèmes».

Il est également difficile de savoir si le modèle UP de co-évolution est également applicable à tous les types de vie. «En principe, l'interaction des prédateurs et des victimes ne se limite pas aux micro-organismes. Il va partout, jusqu'aux lièvres et aux renards », a déclaré Sue. Mais elle a également noté que leur modèle suggère que les changements évolutifs (mutations) et les changements environnementaux (naissance et mort des organismes) se produisent sur la même chronologie et avec une fréquence approximativement égale. "Pour des espèces comme les lièvres et les renards, ce n'est pas vrai, mais dans les micro-organismes, on le trouve souvent."

Selon Jed Furman, professeur de sciences biologiques à l'Université de Californie du Sud, la modélisation est généralement une approche utile, mais elle doit être manipulée avec prudence. "Certaines hypothèses et certains aspects s'appliquent directement aux systèmes naturels complexes, et d'autres non." Étant donné que même les communautés microbiennes utilisent différentes stratégies de survie, a-t-il dit, «les modèles peuvent être appliqués à certaines parties de la communauté plus qu'à d'autres».

Mais si le modèle démontre une large applicabilité, alors, selon Goldenfeld, "il montrera qu'il existe des approches très générales pour obtenir des populations diverses dans l'écosystème, et que les monocultures sont une exception, pas une règle". On peut s'attendre à ce que l'évolution de la vie, même sur d'autres planètes et lunes, conduise à une diversité d'écosystèmes complexes. Il a déclaré que l'un des futurs domaines de travail de son laboratoire sera l'étude de «l'émergence du métabolisme social» à partir d'une variété d'organismes, chacun traitant ses propres matériaux dans un environnement commun.


Le sixième plus grand satellite de Saturne, Encelade, est considéré comme l'un des endroits les plus prometteurs du système solaire où la vie extraterrestre aurait pu se développer. Des ruisseaux d'eau traversent les fissures de sa surface glaciaire, indiquant la présence d'un vaste océan d'eau sous la glace.

Cette idée peut être utile pour l'exploration spatiale lorsque nous envoyons des sondes à la recherche de vie dans les océans sous la glace recouvrant la surface de la lune de Jupiter, en Europe, et de la lune de Saturne, Encelade. S'il y a de la vie là-bas, ils devront voir les signes biochimiques d'écosystèmes entiers, pas d'organismes individuels.

Selon Kevin Peter Hand, chef de projet adjoint au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, les instruments conçus pour les sondes voyageant vers Mars, l'Europe, Encelade et d'autres abris potentiels pour la vie recherchent déjà des signes d'écosystèmes. Il a déclaré que le concept de sonde proposé pour l'Europe, sur lequel il travaille, est spécialement conçu pour «prendre au moins neuf mesures différentes et complémentaires qui ne répondent pas aux espèces individuelles», par exemple, la complexité et la chiralité des organiques composés et la présence dans les échantillons de structures ressemblant à des cellules.

Mais si les astrobiologistes font face à la question de l'existence fondamentale de la vie extraterrestre et peuvent commencer à étudier à quel point la dynamique des autres écosystèmes ressemble à celle de la terre, alors la connaissance de la solution au paradoxe du plancton peut jouer un rôle décisif.