L’évolution peut-elle simplifier?

Oui, l'évolution peut simplifier, mais non sans conséquences. Pour discuter de cette question, j'ai choisi un peu au hasard trois exemples, qui constituent des simplifications soit physiologique (cas du cœur des poissons à nageoires rayonnées), soit fonctionnelle (cas de la bipédie hominine), soit comportementale (cas du cou de la girafe). Je ferai ensuite quelques observations sur ce trait remarquable du processus évolutif de la vie.

Une représentation vertigineuse de l'évolution de la vie. (C: Service géologique des États-Unis)

Une représentation vertigineuse de l'évolution de la vie. (C: Service géologique américain)

A priori, se dit-on, la vie, partant du plus simple, a progressivement accumulé des formes de vie de plus en plus complexes, comme l'illustre la spirale représentée ci-dessus.  Ainsi, partant d'une forme embryonnaire de vie apparue ou arrivée sur Terre à l'Hadéen (il y a entre 4,6 à 4 milliards d'années) peut-être, la vie a produit des procaryotes (des organismes unicellulaires sans noyau), puis, il y a deux ou trois milliards d'années des eucaryotes (du moins d'après la théorie endosymbiotique), puis, très certainement bien avant le Cambrien (541 à 485 millions d'années) des écosystèmes de bactéries (on se rend des services mutuellement bénéfiques) et des sociétés de bactéries spécialisées (éponges), puis «peu» avant le Cambrien peut-être de premiers organismes végétaux (algues) et animaux (chordés, arthropodes), puis des végétaux et des animaux marins de plus en plus complexes, puis des végétaux et animaux terrestres de diverses classes, puis...puis..., puis des mammifères... puis des singes sociaux... puis nous, c'est-à-dire ce méta-organisme gigantesque à l'échelle de la vie et microscopique à celle de l'univers, qu'est la grande société humaine.

Donc, l'évolution semble avoir fait passer la vie depuis un nombre très réduit de formes de vie peu complexes vers un nombre gigantesque de formes de vie extrêmement peu complexes, très peu complexes, peu complexes, modérément complexes, assez complexes, très complexes, hautement complexes, extrêmement complexes.... Elle procède en effet par accumulation, gardant largement les innovations anciennes et y ajoutant de nouvelles, ce qui lui a fait franchir progressivement des niveaux toujours plus élevés de complexité. L'évolution accumule la complexité.

Pour autant, peut-elle aussi simplifier, c'est-à-dire réduire la complexité d'une forme de vie? Oui et elle l'a fait en de très nombreuses occasions s'agissant d'aspects différents de la complexité biologique. Familiarisons-nous avec cette idée en examinant trois cas de simplifications… d'espèces très différentes, si j'ose dire!

1/ Un cas de simplification physiologique: le cœur des poissons à nageoires rayonnées.

Il est déjà arrivé, très souvent sans doute, que l'évolution simplifie la physiologie d'un organisme, ce qu'illustre le cas du poisson crétacé Rhacolepis buccalis, un poisson des côtes de ce qui allait devenir le Brésil (pour en savoir plus, lire l'actualité de Pour la Science Un cœur de poisson fossile révèle une simplification évolutive).

Une restitution d'artiste de Rhacolepis buccalis (C: D. Silva and F. Tadeu).

Une restitution d'artiste de Rhacolepis buccalis (C: D. Silva and F. Tadeu).

Aujourd'hui, 99,8 % des poissons sont des télostéens, lesquels sont aussi des poissons à nageoires rayonnées, c'est-à-dire en termes scientifiques des actinoptérygiens. Ces poissons ont en commun d'avoir des nageoires raidies par des rayons dermiques. Or une équipe internationale rassemblée par José Xavier-Neto du laboratoire national de biologie brésilien à Campinas au Brésil vient d'étudier à l'ESRF (European synchrotron radiation facility) de Grenoble la structure du cœur fossilisé de Rhacolepis buccalis, et elle a constaté que, tandis que les poissons actuels n'ont qu'une rangée de valves sur leur «bulbe artériel» situé à la sortie du cœur, la forme crétacée Rhacolepis buccalis en possédait cinq rangées sur son «cône artériel» lui aussi situé à la sortie du cœur. Ainsi, le cône artériel a disparu et été remplacé par un bulbe artériel plus souple sur lequel un nombre moindre de valves suffit.

L'évolution a simplifié la physiologie du cœur de Rhacolepis buccalis.

2/ Un cas de simplification fonctionnelle : l'apparition de la bipédie hominine.

Il est déjà arrivé, très souvent sans doute, que l'évolution simplifie en réduisant les fonctions d'un organe, ce qu'illustre le cas des hominines, c'est-à-dire des hominidés bipèdes arboricoles ou pas. En effet, tandis que nos ancêtres et cousins hominines furent à la fois bipèdes et arboricoles, les espèces du genre Homo ne furent pas et ne sont pas arboricoles. Pour s'en rendre compte facilement, le mieux est de se pencher sur le cas de l'ardipithèque (lire à ce propos l'actualité de Pour la science Ardi, nouvel ancêtre de l'homme):

 

Ardipithecus ramidus.

Ardipithecus ramidus.

L'ardipithèque, l'un des hominines qui a précédé le genre Homo avait un régime omnivore et d'après ses caractéristiques physiques, il aurait eu une vie sociale fondée davantage sur la coopération que sur la compétition. Cela suggère qu'il descendait souvent sur le sol en groupe à la recherche de nourriture. Toutefois, il avait aussi un orteil orienté latéralement et des mains naturellement fléchies pour faciliter la saisie. Cela implique qu'il passait aussi beaucoup de temps dans les arbres. Ses ancêtres, des hominidés plus proches des panines (la lignée des chimpanzés), passaient sans doute plus de temps dans les arbres que sur le sol. Pour leur part, les australopithécinés qui vinrent après les ardipithèques avaient des orteils orientés vers l'avant, et pouvaient marcher comme des humains, mêmes s'il leur arrivaient encore, pense-t-on, de marcher en s'appuyant sur leur phalanges comme les chimpanzés. Les espèces humaines qui viennent ensuite sont adaptées à la marche et à la course bipèdes, et peuvent se déplacer ainsi en dépensant beaucoup moins d'énergie qu'un quadrupède par kilomètre parcouru.

Ainsi, alors que les membres inférieurs de l'ardipithèque et de ses ancêtres étaient adaptés à la fois à une marche bipède maladroite et encore bien au déplacement dans les arbres, ceux des humains sont beaucoup mieux adaptés à la marche bipède, mais presque plus à l'escalade des arbres.

L'évolution a simplifié la fonction des membres inférieurs des hominines.

3/ Un cas de simplification comportementale : l'apparition du cou des girafes.

Il est souvent arrivé que l'évolution fasse d'un organisme un spécialiste, ce qui peut être interprété comme une simplification de son comportement. Ainsi, quant aux raisons de l'apparition du cou allongé de la Girafe, la théorie la plus commune est que chez les ruminants africains des savanes et des régions semi arides spécialisés sur la consommation et la digestion polygastrique de feuilles, la compétition pour la subsistance a pu être très forte entre les animaux de taille moyenne, de sorte que les animaux possédant un cou plus long, avantagés, se seraient reproduits davantage, ce qui aura sélectionné la caractéristique d'avoir un long cou. De fait, les girafes sont les plus grands des animaux terrestres, puisqu'un mâle de cette espèce peut dépasser 5,8 mètres, tandis qu'une girafe femelle peut dépasser 5,1 mètres. La girafe est cousine de l'okapi; ses ancêtres auraient divergé de ceux de l'okapi il y a une douzaine de millions d'années. Or l'okapi, quelque peu réminiscent du zèbre, est un animal de la taille d'un grand cervidé ; la girafe est aussi lointainement apparentée aux cervidés et aux bovidés, donc aux chèvres. Ce petit tour d'horizon, ainsi que l'évidente diversité des ruminants explique sans doute l'apparition des longs-cous. Tant les bovidés que les cervidés ne répugnent pas à l'occasion de brouter des feuilles, trait comportemental, qui devient important en zone aride, où les arbres sont pendant la saison sèche les seuls végétaux à portée de langue... On sait que les chèvres d'Afrique du nord et d'autre endroits sont capables de grimper dans des arbres afin d'atteindre le feuillage. Imaginons maintenant le comportement d'un ruminant devant concourir avec de nombreux autres ruminants pendant la saison sèche afin trouver une masse de feuilles suffisante? Comme l'indique le cas des chèvres, il sera multiple, ajoutant le broutage au niveau du sol, au broutage en appui sur ses deux antérieurs, notamment avec soutien sur le tronc, voire ascension de l'arbre... Malgré la présence des prédateurs, quand le besoin s'en fait sentir, le nombre et la multiplicité des ruminants consommateurs de feuilles pratiquant ces comportements a pu exercer une pression considérable sur le couvert végétal proche du sol:

Une antilope en train de brouter les délicieuses feuilles pleines de nutriments d'un arbuste. (C: Shutterstock)

Une antilope en train de brouter les délicieuses feuilles pleines de nutriments d'un arbuste. (C: Shutterstock)

Dès lors, on comprend que pour les ancêtres des girafes, une haute taille combinée avec un cou allongé a pu être un avantage adaptatif considérable. Au lieu d'avoir à battre la campagne pour trouver des arbustes ou des arbres intéressant et non encore pillés, ils ont progressivement pu exploiter sans concurrence un étage du couvert végétal. De multiple, leur comportement de brouteur est devenu unique : employant la machine-outil spécialisée et ultra efficace que représente leur cou allongé emmanché d'une bouche spécialisée dotée d'une langue et de dents adaptées à la saisie-découpe de feuilles, les ancêtres des girafes ont progressivement pu être assurés de trouver leur subsistance ; leur survie et leur reproduction en furent d'autant plus facilitées que ce nouveau comportement de subsistance quasi automatique de par sa simplicité (comparer avec le comportement équivalent d'une antilope montré ci-dessus) libérait leur cerveau pour la surveillance de leur dangereux environnement.

L'évolution a simplifié le comportement de subsistance des girafes.

Ces trois cas nous montre qu'il est arrivé que l'évolution simplifie la physiologie, les fonctions organiques ou le comportement de formes de vie.

Pour autant, dans ces trois cas, l'évolution, en simplifiant une caractéristique, en a complexifié d'autres.

1/ Qu'est-ce que l'évolution a compliqué en simplifiant le cœur des poissons? Pour s'en rendre compte, il faut se demander d'abord quel avantage avantage la réduction du nombre de valves artérielle des cœurs de poisson amène?Je l'ignore en fait, mais je le conjecturerais ainsi.Tout ingénieur sait que reproduire à l'identique le même dispositif pour obtenir plus de travail (ici de travail de modération de la pression artérielle) augmente les risques de panne. Quels sont les risques de panne d'une valve biologique? Celles du cœur des poissons ont surtout la fonction de modérer la pression du sang artériel afin d'éviter l'endommagement des fragiles tissus des branchies . Le malfonctionnement d'une valve – par exemple une mauvaise fermeture – implique donc une mise à l'épreuve, voire une destruction plus rapide du tissu des branchies. La présence de plus de valves dans le cœur augmente donc la probabilité d'une telle pathologie. Il faut croire que même si les anciens actinoptérygiens étaient performants lorsqu'ils n'étaient pas malades du cœur, la réduction des problèmes de respiration qu'ils développaient en cas de malfonctionnement de leurs valves artérielles fut assez avantageuse pour favoriser les lignées possédant moins de valves artérielles à la sortie du cœur.

Or le cône artériel des anciens poissons à nageoires rayonnées a, si j'ai bien compris, progressivement été remplacé par un bulbe artériel aux tissus plus élastiques. Ainsi, la modération de la pression s'effectuant en partie grâce à cette élasticité, un nombre de valves réduit et débitant sans doute davantage a pu effectuer la même fonction de préparation du sang avant les branchies. Toutefois, d'un point de vue fonctionnel, le tissu élastique du bulbe artériel des poissons actuels assure à la fois la circulation du sang et la modération de sa pression. Cette double fonction n'a été rendue possible que par une complexification de la structure des tissus du bulbe permettant leur élasticité. Ainsi, le bulbe artériel des poissons actuels étant bifonctionnel, il est plus complexe dans sa structure que le cône artériel des anciens poissons.

En simplifiant la structure de l'organe modérateur de la pression artérielle des poissons, l'évolution a complexifié la structure de ses tissus.

2/ Qu'est-ce que l'évolution a compliqué en simplifiant la fonction des membres inférieurs hominines? De même, pour l'apprécier, il faut se demander ce qu'apporte cette simplification : de la mobilité à bas coût énergétique! La bipédie optimisée des humains les a rendus capables d'exploiter un territoire bien plus grand, ce qui est à l'origine du succès évolutif du genre Homo. Pour autant, l'optimisation énergétique de la bipédie a entrainé une évolution anatomique de notre système locomoteur, laquelle s'est traduit par l'apparition de nombreux nouveaux traits (par exemple l'orientation de nos gros orteils vers l'avant). L'un de ces traits est aussi le resserrement du bassin. Notre os coxal est en effet plus étroit en proportion (par rapport à notre taille) que celui des grands singes. Cette caractéristique, qui favorise la pendulation des jambes à la verticale, a joué un grand rôle dans l'évolution du corps de nos ancêtres vers une locomotion bipède de plus en plus efficace. Elle a manifestement un inconvénient majeur, si grand qu'il menace notre reproduction: nos bébés à gros cerveau ont souvent du mal à passer par le canal utérin, dont l'étroitesse est le résultat du resserrement du bassin, par ailleurs si nécessaire pour permettre au plancher pelvien de supporter le poids de nos organes pendant la marche (pour mieux comprendre cette question lire l'actualité de Pour la Science La taille du bassin féminin est modulée par les hormones au cours de la vie). N'étant pas obstétricien, j'aurais du mal à vous énumérer tous les aspects de la naissance montrant une adaptation compensatrice face aux conséquences du resserrement du bassin féminin, mais j'imagine par exemple que le fait que les os crâniens d'un humain nouveau né ne sont pas soudés en est un particulièrement évident. Ainsi, chez les hominines, la simplification de la fonction des membres inférieurs a entrainé une complexification de la naissance.

En simplifiant la marche des humains, l'évolution a compliqué leur naissance.

3/ Qu'est-ce que l'évolution a compliqué en dotant les girafes d'un long cou? Quels sont les avantages du long coup des girafes? Nous l'avons déjà dit : il s'agit essentiellement d'un avantage compétitif dans la subsistance : dotée de ce long coup, les girafes peuvent brouter dans le feuillage facilement et sont ainsi toujours assurées de se nourrir.

Ce long cou et la hauteur de patte le rendant particulièrement efficace a cependant toutes sorte d'implications physiologiques : les girafes ont un énorme cœur, dont la puissance est nécessaire pour envoyer le sang en hauteur ; il ne suffit cependant pas pour irriguer la tête, de sorte que des muscles annulaires aident à hisser le sang jusqu'au cerveau ; de même, boire n'a rien de simple pour les girafes, puisque baisser leur têtes pendant plus de deux minutes peut les tuer en faisant affluer trop de sang au cerveau, tandis qu'un système de clapets placée dans les voies digestives au niveau du cou lui permet de retenir l'eau qu'elle est incapable d'aspirer d'un seul trait jusqu'à l'estomac… Ainsi, chez les girafes, la simplification de la recherche de nourriture rendue possible par le long cou a entraîné une complexification de la circulation et de l'ingestion d'eau, pour ne citer que ces deux aspects…

En simplifiant la subsistance des girafes, l'évolution a énormément compliqué le fonctionnement de leur cou.

Ces trois exemples mettent en évidence que, au cours de l'évolution d'une forme de vie, la simplification d'une caractéristique s'accompagne souvent de la complexification d'une autre ou de toute une série d'autres caractéristiques.

La vie simplifie ici en compliquant là.

Si cette observation toute simple effectuée en toute complexité vous a intéressé, alors, faites comme l'évolution : simplifiez (vous) la vie ici en la compliquant là.

La question est de savoir où…

 

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