Des controverses comme celle-ci soulignent la possibilité que la mauvaise réputation des hybrides naturels ne soit pas entièrement justifiée. Historiquement, les hybrides ont souvent été associés à la progéniture stérile ou inapte de croisements inadaptés (comme le mulet, né d’un cheval femelle et d’un âne mâle). Les naturalistes ont traditionnellement considéré l’hybridation dans la nature comme une sorte de douve sans intérêt, la plupart du temps rare, sans issue. Si les hybrides ne sont pas viables, fertiles ou communs, comment pourraient-ils avoir une grande influence sur l’évolution? Mais alors que les études génomiques fournissent de nouvelles informations sur l’évolution des espèces, les biologistes constatent maintenant que, étonnamment souvent, les hybrides jouent un rôle essentiel dans la fortification des espèces et les aident à acquérir des gènes utiles de parents proches.
En bref, les appariements inadaptés ne racontent pas toute l’histoire du métissage. Le transfert génétique qui a lieu entre les organismes alors que leurs lignées divergent contribue à l’émergence de traits adaptatifs et à la création de nouvelles espèces. Selon Arnold, non seulement il est courant pour les espèces nouvellement émergentes de retrouver des gènes à travers des populations hybrides, « mais c’est probablement la façon la plus courante de procéder à l’évolution, que vous parliez de virus, de plantes, de bactéries ou d’animaux. »
Lions, Tigres et Jaguars, Oh Mon dieu!
Plus récemment, des signatures d’hybridation sont apparues dans des études sur l’évolution du jaguar. Dans un article publié le mois dernier dans Science Advances, une équipe de chercheurs d’institutions de sept pays a examiné les génomes des cinq membres du genre Panthera, souvent appelés les « grands félins »: lions, léopards, tigres, jaguars et léopards des neiges. Les scientifiques ont séquencé les génomes du jaguar et du léopard pour la première fois et les ont comparés aux génomes déjà existants des trois autres espèces, trouvant plus de 13 000 gènes partagés entre les cinq. Ces informations les ont aidés à construire un arbre phylogénétique (en substance, un arbre généalogique pour les espèces) pour décrire comment les différents animaux ont divergé d’un ancêtre commun il y a environ 4,6 millions d’années.
L’un des responsables du groupe, Eduardo Eizirik, biologiste et écologiste à l’Université Pontificale catholique du Rio Grande do Sul au Brésil, a consacré les 15 dernières années à l’étude du jaguar. Alors que ses collègues et lui cartographiaient son génome, ils l’ont passé au peigne fin à la recherche de gènes qui auraient pu être responsables d’adaptations telles que la grosse tête et la forte mâchoire de l’animal, qui ont probablement évolué pour s’adapter à un régime alimentaire de reptiles blindés — permettant au jaguar d’écraser la peau d’alligator ou les carapaces de tortues, par exemple — après un événement d’extinction qui a anéanti la plupart des proies de grands mammifères.
Certaines de ces adaptations, cependant, ne proviennent peut-être pas du tout de la lignée jaguar. L’équipe d’Eizirik a trouvé des preuves de nombreux croisements entre les différentes espèces de Panthera. Dans un cas, deux gènes trouvés chez le jaguar indiquaient une hybridation passée avec le lion, qui se serait produite après que leurs chemins phylogénétiques se soient fourchus. Les deux gènes se sont avérés être impliqués dans la formation du nerf optique; Eizirik a émis l’hypothèse que les gènes codaient une amélioration de la vision dont les jaguars avaient besoin ou pourraient exploiter. Pour quelque raison que ce soit, la sélection naturelle a favorisé les gènes du lion, qui ont pris la place de ceux que le jaguar avait à l’origine pour ce trait.
Une telle hybridation illustre pourquoi la délimitation de l’arbre évolutif Panthera par le groupe d’Eizirik est si remarquable. « L’essentiel est que tout cela est devenu plus complexe », a déclaré Eizirik. « Les espèces finissent par se séparer, mais ce n’est pas aussi immédiat que les gens le diraient souvent. » Il a ajouté: « Les génomes que nous avons étudiés reflétaient cette mosaïque d’histoires. »
Le Concept d’espèce biologique
Bien que des données aussi détaillées et analysées de manière aussi approfondie que celles d’Eizirik soient rares, l’idée sous-jacente selon laquelle l’hybridation contribue au développement des espèces n’est en aucun cas nouvelle. Les biologistes savent depuis les années 1930 que l’hybridation se produit fréquemment chez les plantes (elle est documentée dans environ 25% des espèces de plantes à fleurs au Royaume-Uni seulement) et joue un rôle important dans leur évolution. En fait, c’est un couple de botanistes qui, en 1938, a inventé l’expression « hybridation introgressive », ou introgression, pour décrire le modèle d’hybridation et de flux de gènes qu’ils ont vu dans leurs études. Imaginez les membres de deux espèces — appelons—les A et B – qui se croisent pour produire 50 à 50 descendants hybrides avec des parts égales de gènes de chaque parent. Imaginez ensuite ces hybrides qui se croisent pour se reproduire avec des membres de l’espèce A et supposez que leur progéniture fait de même. Plusieurs générations plus tard, la nature se retrouve avec des organismes de l’espèce A dont les génomes ont conservé quelques gènes de l’espèce B. Des études ont démontré que ce processus pourrait également donner des espèces végétales entièrement nouvelles.
Mais les espèces animales semblaient plus discrètes, du moins pendant un certain temps. La plupart des zoologistes ont soutenu le concept d’espèce biologique proposé en 1942 par le légendaire biologiste Ernst Mayr, qui était l’un des architectes de la synthèse moderne, la version de la théorie de l’évolution qui combinait la sélection naturelle de Darwin avec la science de la génétique. Le concept d’espèce biologique de Mayr était basé sur l’isolement reproductif: Une espèce était définie comme une population qui ne pouvait pas ou ne se reproduisait pas avec d’autres populations. Même lorsque des exceptions à cette règle ont commencé à apparaître dans les années 1970, de nombreux biologistes ont considéré que l’hybridation était trop rare pour être importante chez les animaux. « Nous avions une attitude aveugle », a déclaré James Mallet, biologiste de l’évolution à l’Université Harvard. Aujourd’hui, a—t-il ajouté, affirmant que de telles hybridations n’affectent pas les reconstructions de l’histoire de l’évolution ou « que cela n’était pas utile dans l’évolution adaptative – ce n’est plus tenable. »
Cela est particulièrement vrai maintenant que les outils informatiques et génomiques prouvent à quel point l’introgression est prolifique — même chez notre propre espèce. Depuis 2009, des études ont révélé qu’il y a environ 50 000 à 60 000 ans, certains humains modernes se répandant hors d’Afrique se sont croisés avec des Néandertaliens; ils l’ont également fait plus tard avec un autre groupe humain ancestral, les Denisovans. Dans les deux cas, les enfants se sont accouplés avec d’autres humains modernes, nous transmettant les gènes qu’ils avaient acquis. À l’heure actuelle, les chercheurs estiment que certaines populations ont hérité de 1 à 2% de leur ADN des Néandertaliens, et jusqu’à 6% de celui—ci des Dénisoviens – des fractions équivalant à des centaines de gènes.
En 2012, Mallet et ses collègues ont montré une grande quantité de flux génétique entre deux espèces hybrides de papillon Heliconius. L’année suivante, ils ont déterminé qu’environ 40 % des gènes d’une espèce provenaient de l’autre. L’équipe de Mallet travaille maintenant avec une autre paire d’espèces de papillons qui échangent encore plus de leurs gènes: quelque chose comme 98%, a-t-il déclaré. Seuls les 2% restants du génome portent les informations qui séparent les espèces et reflètent leur « véritable » trajectoire évolutive. Un flou similaire des lignées d’espèces a déjà été trouvé chez les moustiques porteurs du paludisme du genre Anopheles.
D’autres types d’organismes, des poissons et des oiseaux aux loups et aux moutons, connaissent également leur part d’introgression. « Les frontières entre les espèces sont maintenant connues pour être moins rigides qu’on ne le pensait auparavant », a déclaré Peter Grant, biologiste évolutionniste à l’Université de Princeton qui, avec sa collègue biologiste de Princeton (et son épouse) Rosemary Grant, étudie l’évolution des pinsons des Galápagos depuis des décennies. « Les reconstructions phylogénétiques représentent des motifs ressemblant à des arbres comme s’il existait une barrière claire entre les espèces qui surgissait instantanément et n’était jamais franchie. Cela peut être trompeur. »
Arnold était d’accord. » C’est un réseau de vie, dit-il, plutôt qu’un simple arbre de vie bifurqué. »Cela signifie également qu’il est plus que jamais nécessaire d’examiner l’ensemble du génome, et pas seulement des gènes sélectionnés, pour comprendre les relations évolutives d’une espèce et générer la phylogénie correcte. Et même cela pourrait ne pas suffire. « Il se pourrait bien, » a déclaré Mallet, »que certains modèles évolutifs réels soient encore complètement irrécupérables. »
Les gènes agités Se font sentir
Les études génomiques ne peuvent pas créer une image complète des mouvements introgressifs des gènes. Chaque fois qu’une espèce hérite de gènes d’une autre, le résultat peut être délétère, neutre ou adaptatif. La sélection naturelle a tendance à éliminer la première, bien que certains des gènes que nous avons hérités des Néandertaliens, par exemple, puissent être impliqués dans des troubles tels que le diabète, l’obésité ou la dépression. Les régions introgressées neutres dérivent, il est donc possible qu’elles restent dans le génome pendant de très longues périodes sans avoir d’effet observable.
Mais ce sont les introgressions bénéfiques qui fascinent particulièrement les chercheurs. Reprenez l’ADN de Néandertal et de Denisovan: Ces gènes ont permis aux gens de s’adapter aux environnements difficiles d’endroits comme le plateau tibétain, les protégeant contre les effets nocifs des hautes altitudes et de la faible saturation en oxygène, qui chez les non-résidents peuvent provoquer des accidents vasculaires cérébraux, des fausses couches et d’autres risques pour la santé. Des variantes issues de croisements avec des humains archaïques ont également conféré une immunité à certaines infections et rendu la pigmentation de la peau et des cheveux plus adaptée aux climats eurasiens.
Les papillons de Mallet reflètent également des preuves d’hybridation adaptative, en particulier avec des traits impliqués dans le mimétisme et l’évitement des prédateurs. Les chercheurs avaient observé que, bien que la plupart des espèces d’Heliconius aient une coloration et un motif d’ailes très divergents, certaines ressemblaient de manière frappante les unes aux autres. Les chercheurs pensaient que ces espèces avaient convergé indépendamment sur ces traits, mais il s’avère que ce n’est que partiellement correct. Mallet et d’autres ont constaté que l’introgression était également responsable. Il en va de même pour les pinsons des Galápagos: des morceaux de leurs génomes qui contrôlent des caractéristiques telles que la taille et la forme du bec ont été partagés par hybridation. Encore une fois, l’évolution parallèle ne peut pas tout expliquer.
Pour que ces effets se produisent, le taux d’hybridation peut être — et très probablement est — très faible. Pour les papillons presque entièrement hybridés de Mallet, « le filet occasionnel d’un accouplement hybride tous les 1 000 accouplements normaux est suffisant pour homogénéiser complètement les gènes entre les espèces », a-t-il déclaré. « C’est assez excitant. »
Alors que ces modèles d’introgression sont devenus de plus en plus prédominants dans la littérature scientifique, les chercheurs ont entrepris de découvrir leurs conséquences évolutives. Ceux-ci vont au-delà du fait que la spéciation a tendance à être un processus beaucoup plus progressif qu’il n’est souvent supposé l’être. « La diversification, l’adaptation et l’évolution adaptative semblent vraiment être motivées assez souvent par les gènes qui se déplacent », a déclaré Arnold.
Les recherches effectuées par Eizirik et son équipe plaident en ce sens. Au moment où les introgressions génétiques qu’ils ont analysées se sont produites, on estime que les populations des cinq espèces de Panthera ont diminué, probablement en raison des changements climatiques. Plus une population est petite, plus la probabilité qu’une mutation nuisible soit apposée sur son génome est grande. Peut-être le flux génétique trouvé entre les différentes espèces les a-t-il sauvés de l’extinction, fournissant des mutations adaptatives et des « correctifs » délétères. « Ce type d’infusion de mutations génétiques est si important qu’il peut provoquer une évolution très rapide », a déclaré Arnold.
Et le processus ne se termine pas par une accélération de l’évolution chez une seule espèce. L’introgression adaptative peut à son tour contribuer de manière significative au rayonnement adaptatif, un processus par lequel une espèce se diversifie rapidement en une grande variété de types, qui forment ensuite de nouvelles lignées qui continuent à s’adapter indépendamment. Le cas de manuel se trouve dans les grands lacs d’Afrique de l’Est, qui abritent des centaines et des centaines d’espèces de cichlidés, un type de poisson qui s’est diversifié en rafales explosives (à l’échelle du temps de l’évolution) d’ancêtres communs, en grande partie en réponse aux changements climatiques et tectoniques de leur environnement. Aujourd’hui, la forme, le comportement et l’écologie des cichlidés varient considérablement — en grande partie grâce à l’hybridation introgressive.
Les biologistes auront besoin de beaucoup plus d’années pour comprendre toute l’importance de l’hybridation pour l’évolution. Par exemple, Arnold veut voir d’autres recherches comme celles qui ont été faites sur les pinsons des Galápagos et les loups du parc national de Yellowstone: des analyses comportementales, métaboliques et autres qui révéleront dans quelle mesure l’introgression est adaptative et quelle est nocive ou neutre — ainsi que si l’introgression adaptative n’affecte que des types particuliers de gènes, ou si elle agit de manière plus répandue.
Malheureusement, pour les défenseurs de l’environnement et d’autres personnes confrontées à la gestion de la diversité des espèces en péril, l’absence de réponses satisfaisantes pose des problèmes plus immédiats. Ils doivent souvent évaluer la valeur de la protection des populations hybrides sauvages par rapport aux dommages que les hybrides peuvent causer aux espèces établies, y compris celles dont ils sont issus.
La Conservation incertaine des hybrides
Un exemple concret: Dans les années 1950, deux marchands d’appâts californiens de la vallée de Salinas, cherchant à développer leur activité, ont sauté dans une camionnette et ont décollé vers le centre du Texas et le Nouveau-Mexique. Ils ont ramené des salamandres tigrées barrées, qui pourraient atteindre plus du double de la taille de la salamandre tigrée indigène de Californie. La nouvelle espèce s’est rapidement révélée bonne pour les pêcheurs locaux mais mauvaise pour l’écosystème local: Les salamandres introduites se sont accouplées avec les indigènes, créant une race hybride qui pourrait surpasser ses espèces parentes. Bientôt, la salamandre tigrée de Californie s’est retrouvée en danger d’être entièrement anéantie, et elle reste aujourd’hui une espèce menacée.