Introduction
L'étude des embryons, et plus particulièrement la comparaison des embryons d'espèces différentes, révèle des aspects fascinants de l'évolution. À première vue, la diversité des formes de vie peut sembler infinie. Cependant, à l'échelle moléculaire, et notamment au niveau du développement embryonnaire, des similitudes frappantes émergent. Cet article explore les similarités entre l'embryon humain et celui du dauphin, en s'appuyant sur les découvertes de la biologie évolutive et de la génétique du développement.
Le paradoxe des séquences codantes et le rôle de l'ADN non codant
Les biologistes de l'évolution se penchent sur la manière dont l'extraordinaire diversité des formes de vie est apparue. Nous savons que les changements des caractères physiques sont dus à des modifications de l'ADN. L'exploration des archives génomiques a révélé un paradoxe : des animaux morphologiquement très différents partagent un répertoire de gènes très similaire. Par exemple, les génomes de mammifères aussi différents que la souris, le rat, le chien, l'homme et le chimpanzé sont remarquablement proches. 99 % de nos gènes ont un homologue dans le génome de la souris.
Comment expliquer alors les différences morphologiques ? La réponse se trouve en grande partie dans l'ADN non codant, qui représente la majeure partie du génome. Alors que les séquences codantes des gènes (celles qui déterminent la structure des protéines) sont relativement conservées entre les espèces, les séquences non codantes, qui régulent l'expression des gènes, présentent une plus grande variabilité.
L'évo-dévo : L'évolution du développement
L'évo-dévo, ou évolution du développement, est l'étude du rôle pivot joué par les gènes et les processus associés au développement dans l'évolution. Les spécialistes de l'évo-dévo s'intéressent particulièrement au fait que les protéines participant à la construction d'un organisme sont très similaires d'une espèce à l'autre. Cela signifie que les morphologies d'animaux aussi dissemblables qu'une souris et un éléphant sont façonnées par un jeu de protéines similaires, fonctionnellement interchangeables.
Les commutateurs génétiques et la régulation de l'expression des gènes
L'expression d'un gène se matérialise par la transcription de la séquence codante qui le constitue en un ARN messager (ARNm), puis la traduction de cet ARNm en une protéine. L'expression de la plupart des gènes est régulée au niveau transcriptionnel. Certaines séquences d'ADN non codant jouent un rôle central dans l'expression des gènes, en déterminant où et quand ils s'expriment. Ces séquences sont dites cis-régulatrices et constituent l'un des éléments des commutateurs génétiques.
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Les commutateurs génétiques activent ou inhibent l'expression des gènes au bon moment et au bon endroit dans l'organisme. Des protéines, nommées facteurs de transcription, reconnaissent de façon spécifique les séquences cis-régulatrices au niveau de sites de liaison. La liaison d'un ou plusieurs facteurs de transcription à une séquence cis-régulatrice détermine si le commutateur est actif, et donc si le gène qui en dépend y est exprimé ou non.
La régulation modulaire des gènes et l'évolution des caractères anatomiques
L'évolution des différences entre espèces a été favorisée par le fait que certains gènes ont de nombreuses séquences cis-régulatrices distinctes. C'est notamment le cas pour les gènes codant les protéines qui façonnent l'organisation du corps. Chacune de ces séquences cis-régulatrices régule de façon indépendante l'expression de "son" gène dans différentes parties de l'organisme, et à des moments différents du cycle de vie de l'animal. Ainsi, le profil d'expression complet d'un gène est une mosaïque d'expressions régulées indépendamment les unes des autres.
Les mutations dans les séquences cis-régulatrices permettent de changer sélectivement des caractères physiques individuels sans que les gènes eux-mêmes ou les protéines correspondantes soient concernés. Des preuves directes ont montré que c'est souvent ainsi que sont survenus des changements évolutifs de l'anatomie des animaux.
Similitudes embryonnaires : Un héritage commun
Pour un embryologiste, il est un fait d’observation courante que les embryons de différentes espèces, de familles, d’ordres ou de classes zoologiques se ressemblent à certains stades de leur développement. En fait, les métazoaires traversent différentes étapes du développement précoce qui leur sont communes.
Dès 1828, l’embryologiste Karl Ernst von Baer, ayant omis d’étiqueter des embryons conservés dans l’alcool, s’avouait incapable de les déterminer. Selon ses propres mots : « Ils pourraient aussi bien être des lézards que des petits oiseaux, ou même des mammifères ». La ressemblance des embryons ne pouvait qu’ajouter à la confusion, malgré la diversité morphologique des reptiles, des oiseaux et des mammifères adultes.
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En 1877, Ernst Haeckel note : « En tout, au début, les divers vertébrés sont semblables, puis peu à peu les particularités apparaissent, et les divers groupes, classes, ordres, familles, genres, se distinguent et se hiérarchisent ».
De ses études, von Baer dégagea des généralisations qui devinrent les "lois de von Baer" :
- Les caractères généraux d’un groupe apparaissent avant les caractères spécialisés.
- Tous les vertébrés possèdent des organes embryonnaires transitoires tels que le tube nerveux, les somites, le pronéphros.
- La diversité des caractères spécialisés de plusieurs groupes ou espèces proches dérive de caractères généraux communs à ces groupes ou espèces. Par exemple, le plan de l’ébauche du membre chiridien est commun à tous les embryons de vertébrés tétrapodes. Cependant, l’organogenèse peut en faire des organes aussi différents qu’une nageoire de dauphin, une aile de chauve-souris, un membre marcheur, fouisseur ou préhensile.
- L’embryon d’une espèce donnée ne ressemble jamais à la forme adulte d’une espèce apparue précédemment dans l’évolution mais plutôt à sa forme embryonnaire. Un embryon de reptile ou de mammifère ne passe jamais par un stade poisson. En revanche, les embryons de reptiles et de mammifères possèdent des caractères en commun avec les embryons de poisson. Par exemple, les arcs viscéraux des reptiles et des mammifères ne ressemblent pas aux arcs branchiaux des poissons mais plutôt aux arcs viscéraux embryonnaires de ces derniers.
Pour illustrer la parenté des organismes, nous avons choisi deux stades de la vie embryonnaire communs à tous les vertébrés : le clivage et l’organogenèse. Les exemples ont été pris chez les poissons chondrostéens (esturgeon) et téléostéens (Ictalurus), les amphibiens anoures (Xenopus) et urodèles (Pleurodeles), les reptiles (caméléon et crocodile), les oiseaux (poulet) et les mammifères (lapin, souris et homme). La période de clivage est commune à tous les métazoaires.
Haeckel et ses embryons : Une controverse révélatrice
Ernst Haeckel (1834-1919) était un médecin et biologiste allemand contemporain de Charles Darwin qui a joué un rôle important dans la diffusion de la théorie de l'évolution darwinienne. Il est célèbre pour ses dessins d'embryons, qui illustrent la ressemblance entre les embryons de différentes espèces.
Cependant, ces dessins ont été l'objet de controverses, car Haeckel a été accusé d'avoir retouché certains dessins pour les rendre plus ressemblants. On pense même qu'il est parti d'un seul embryon qu'il a reproduit et modifié légèrement. Malgré ces accusations, les dessins d'Haeckel ont eu un impact important sur la vulgarisation de la théorie de l'évolution.
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La formule "L'ontogénèse récapitule la phylogénèse" s'illustrerait ici : les classes supérieures de Vertébrés (Reptiles, Oiseaux et Mammifères) passent par les stades embryonnaires des classes inférieures Poissons et Amphibiens dont ils sont issus avant d'acquérir de nouvelles caractéristiques propres au cours du développement embryonnaire.
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