Humain X.0 : Émergence de la complexité

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(Temps de lecture: 5-6 minutes)

L’idée de l’évolution telle qu’évoquée jusqu’ici (cf. article Bases de l’évolution) cache encore une quantité de défis assez considérable. Dans cette section, nous nous attaquons à des questions plus difficiles, mais aussi plus intéressantes. Qu’est-ce que la vie et quelle est son origine? Comment a-t-on pu passer d’une forme de vie primitive à des animaux sophistiqués? Les éléments de réponse à ces questions nous permettront de mieux comprendre les liens entre évolution et complexité.

Origine et définition de la vie. La vie est apparue sur terre il y a environ 4 milliards d’années. En recréant des conditions similaires à celle de la terre primitive, plusieurs expériences ont montré que les briques élémentaires de la vie ont pu émerger à travers des processus chimiques relativement simples. Ces briques élémentaires constituaient alors ce qu’on appelle des réplicateurs primitifs, c’est-à-dire des molécules capables de se dupliquer, de créer des copies d’elles-mêmes.

La soupe primitive

Avant d’élaborer sur l’évolution de la vie, prenons un instant pour clarifier la définition de la vie. Les êtres vivants échangent de la matière et de l’énergie avec leur environnement; ils se nourrissent, assimilent des composants et en excrètent d’autres (métabolisme). Ils changent et se développent, tout en conservant un certain équilibre interne (homéostasie). Grâce à divers mécanismes de régulation, de nombreux paramètres vitaux sont ainsi maintenus constants (acidité, taux de sel, etc.). Tout cela dans des circonstances extérieures qui sont changeantes la plupart du temps.

En plus du métabolisme et de l’homéostasie, un dernier élément de définition crucial est celui d’information. L’information est centrale tout d’abord car elle permet diverses instructions, nécessaires par exemple au développement de l’organisme et au maintien de ses fonctions vitales. Ensuite, l’information est essentielle à la reproduction, qui est fondamentalement une transmission d’information d’une génération à l’autre.

La notion d’information est absolument centrale à la définition de la vie

De l’ARN aux cellules. Les premiers réplicateurs étaient probablement des brins d’ARN ou des molécules similaires, composés d’éléments issus de la soupe primitive. À un niveau fondamental, l’idée est que certaines configurations moléculaires étaient plus stables que d’autres, devenant ainsi peu à peu prépondérantes. À ce stade, l’évolution était encore extrêmement balbutiante. Les processus de transmission de l’information étaient rudimentaires et peu performants. Les moyens de réplication étaient lents, limités et imprécis.

Plus tardivement, l’apparition des molécules d’ADN (probablement à partir d’ARN) fut une petite révolution. L’ADN permet de stocker une plus grande quantité d’information et permet une transmission plus fiable de cette information. L’ADN peut également fournir des instructions qui permettent de construire d’autres molécules, en particulier des protéines qui peuvent agir comme des enzymes. Ces enzymes accélèrent certains processus métaboliques, facilitant ainsi la vie et la réplication des molécules d’ADN primitif.

Les réplicateurs primitifs (ARN et ADN) sont le point de départ de la vie

Une autre transition importante est l’apparition des chromosomes, qui permet de regrouper les gènes (les brins d’ADN). Les chromosomes lient les gènes entre eux; quand l’un d’entre eux est répliqué, tous le sont. Cette réplication coordonnée évite la compétition entre gènes et créé ainsi une certaine coopération. Ce premier palier de coopération fut essentiel: les gènes organisés en chromosomes peuvent stocker une quantité phénoménale d’information et d’instructions de toutes sortes. Ceci est la base qui permet l’émergence d’entités plus complexes.

Une autre transition majeure – et pas des moindres – est l’apparition des cellules. D’abord des cellules simples, sans noyau, où le matériel génétique flotte librement à l’intérieur de la cellule. Puis ensuite les cellules complexes, qui intègrent plusieurs chromosomes au sein d’un noyau, ainsi que diverses organelles. Les organelles de la cellule sont comme des petits organes, c’est-à-dire de petites unités distinctes et spécialisées dans une tâche spécifique.

Dans les cellules animales, on retrouve par exemple les mitochondries, qui fournissent l’énergie nécessaire aux réactions chimiques du métabolisme. Chez les plantes, on trouve une organelle équivalente, les chloroplastes, qui transforment la lumière en énergie exploitable par la cellule. Les ribosomes sont d’autres organelles dont le rôle est très important: ils permettent de créer toutes sortes de protéines à partir des instructions de l’ANR messager (ARNm).

Intérieur d’une cellule complexe. (Notre corps est constitué d’un assemblage de plusieurs milliards de cellules comme celle-ci.)

ArtStation - Cellular landscape, Gael McGill
Source: Digizyme

À ce stade nous sommes déjà à un niveau de complexité inouï: l’ADN qui se trouve dans le noyau produit des brins d’ARNm qui sont transportés vers les ribosomes. Les ribosomes transcrivent l’ARNm afin de fabriquer des protéines aux fonctions variées (enzymes, moteurs moléculaires, messager chimiques, etc.). D’autres organelles encore sont impliquées dans le tri et le transfert de molécules, dans la digestion intracellulaire et l’évacuation des déchets, sans parler encore de la membrane et du cytosquelette, responsable des propriétés architecturales et mécaniques de la cellule.  

Coopération et niveau de sélection. La cellule est un véritable petit monde. Le niveau de coordination et de coopération requis pour son fonctionnement est énorme. Nous avons déjà évoqué plus haut le franchissement d’un important palier, lorsque les gènes se sont regroupés en chromosomes. L’émergence de la cellule a nécessité un autre palier majeur de coopération. Avant l’apparition de cellules complexes, des organelles telles que les mitochondries ou les ribosomes étaient des entités autonomes. À un moment donné, ces entités ont commencé à coopérer, puis cela a duré tant et si bien qu’elles sont devenues de petits organismes à part entière: les cellules. Puis les cellules ont fini par coopérer à leur tour, donnant lieu aux organismes multicellulaires.

« La vie n’a pas conquis le globe par le combat, mais par la coopération »

D. Sagan (2001)

La coopération peut sembler difficile à expliquer du point de vue de la théorie de l’évolution: étant donné que l’évolution avance de façon aveugle, sans capacité à anticiper les éventuels bénéfices futurs d’une coopération, il faut qu’il y ait des bénéfices immédiats pour les organismes qui coopèrent. Ces bénéfices immédiats existent souvent (alimentation facilité, sécurité augmentée, etc.), notamment grâce à divers processus de coévolution sur lesquels nous reviendrons. Bien que les mécanismes exacts qui ont menés à la coopération fassent encore débat aujourd’hui, les entités capables de coopérer ont été favorisées par l’évolution et ont fini par s’imposer largement.

D’importants paliers ont ainsi été franchis plusieurs fois au cours de l’évolution, donnant lieu à ce qu’on appelle des transitions majeures. Pour qu’une telle transition soit accomplie, la compétition intra entité doit être minimisée. Si l’on garde l’exemple des cellules, il faut que la compétition se situe bien entre les différentes cellules et non pas à l’intérieure de celle-ci. Si la coopération à l’intérieur de la cellule est faible, par exemple si des organelles cherchent à se reproduire plus vite au détriment de la santé de la cellule, tout l’édifice cellulaire est alors compromis.

La place actuelle de l’ADN dans le noyau de la cellule est le résultat des transitions majeures. Les bases azotées de l’ADN sont similaires à celles de l’ARN et probablement issues de la soupe primitive.

Évidemment, les gènes et les éléments constitutifs des cellules ne se sont pas assemblés « pour être sympas ». Pour autant, tous les gènes ont quelque chose à gagner si aucun d’entre eux ne saborde le chromosome. Même chose pour les organelles dans les cellules. Idem pour les cellules dans les organismes. La coopération amène une stabilité qui confère un avantage sélectif. À l’inverse, la compétition excessive peut être très destructrice.

Néanmoins, même après qu’une transition majeure ait été franchie, la compétition intra entité existe toujours un peu. Ainsi, on trouve toujours quelques gènes qui ont des stratégies égoïstes au seins des chromosomes ou quelques cellules qui cherchent à se reproduire exagérément, au détriment de l’organisme (une stratégie qui est à l’origine de nombreux cancers). Au final, les stratégies de compétition et de coopération sont entremêlées à tous les niveaux du vivant.

Il y a une éternelle tension entre l’intérêt individuel et l’intérêt collectif

Au-delà des quelques éléments esquissés ici, il faut admettre que la question de la coopération en biologie est une question très difficile; c’est peut-être même la plus débattue de la discipline. La question du niveau de sélection est une question épineuse: la sélection opère-t-elle seulement au niveau des gènes? Ou y a-t-il des processus de sélection « en poupées russes », au niveau du gène, puis de la cellule, puis des organismes?

Sans entrer en détail dans ce débat, une chose est sûre: l’évolution ne se résume pas à la compétition. Bien au contraire, la coopération est omniprésente et essentielle pour expliquer l’émergence de la complexité.

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