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Existe-t-il des exemples connus où un mécanisme évolué « fait écho » à celui fourni à l'origine par l'environnement ?

Existe-t-il des exemples connus où un mécanisme évolué « fait écho » à celui fourni à l'origine par l'environnement ?


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Court résumé

Je suis chercheur en origines de la vie, un domaine qui traite des hypothèses sur les processus évolutifs qui ont eu lieu avant LUCA (le dernier ancêtre commun universel), et des processus chimiques qui ont donné naissance à la vie et à l'évolution en premier lieu. Ceci est très difficile à étudier empiriquement et, par conséquent, il existe de nombreuses hypothèses concurrentes. Cependant, j'ai remarqué que beaucoup d'entre eux ont une forme commune, que je décrirai ci-dessous. Ma question est de savoir si des hypothèses de cette forme particulière existent (et ont été étudiées, par exemple en utilisant des méthodes phylogénétiques) dans la biologie évolutive post-LUCA.

La raison pour laquelle je pose la question est que mes collègues et moi n'avons pas pu penser à un bon exemple. Si aucun exemple n'est connu en biologie évolutive post-LUCA alors cela jette un doute sur la plausibilité de ce type d'hypothèse dans l'évolution pré-LUCA. Je soupçonne que c'est le cas, et donc ma réponse idéale me fournirait du matériel bibliographique pour soutenir une affirmation selon laquelle il n'y a tout simplement pas de bons exemples de cela en biologie évolutive. Cependant, je serais également heureux d'avoir tort avec un très bon exemple.

Explication plus longue

Les hypothèses concernant les origines de la vie sont difficiles à tester empiriquement, car les méthodes phylogénétiques peuvent nous donner peu de preuves directes sur quoi que ce soit avant LUCA, et parce qu'il n'y a pas de fossiles datant de cette époque. (L'intégralité de la surface de la Terre a depuis été remplacée par la tectonique des plaques.) Par conséquent, il existe un certain nombre d'hypothèses concurrentes qui diffèrent les unes des autres à presque tous les égards. Cependant, j'ai remarqué que beaucoup d'entre eux ont une forme commune : ils disent que

  1. une ou plusieurs des caractéristiques d'une cellule moderne (c'est-à-dire post-LUCA) étaient à l'origine fournies par un mécanisme externe, sous la forme de processus chimiques abiotiques qui ont eu lieu dans un microenvironnement très spécifique, et

  2. l'évolution a finalement fourni une solution qui faisait écho de très près à celle qui avait été initialement fournie par l'environnement.

Le point (1) semble relativement facile à satisfaire dans un scénario évolutif ; c'est le point (2) qui m'intéresse particulièrement. Les deux hypothèses les plus populaires dans le domaine ont toutes deux cette forme :

  • Certaines formes de l'hypothèse The RNA-World soutiennent qu'à l'origine, les nucléotides d'ARN ont été produits par des processus purement chimiques dans l'environnement, et que la vie a évolué à partir de molécules d'ARN auto-répliquantes constituées de ces monomères produits de manière abiotique. Plus tard, la vie a développé un métabolisme cellulaire grâce auquel elle a pu construire ses propres monomères d'ARN. Cela satisfait le point (2) car il dit que l'environnement a fourni de l'ARN plutôt qu'un autre hétéropolymère avec des propriétés catalytiques ; la solution évolutive fait écho à la solution environnementale en ce qu'elle utilise la même molécule complexe.

  • La théorie du monde fer-soufre de Wächterschäuser et bon nombre de ses descendants, y compris la théorie de l'évent alcalin de Russel, soutiennent que le cycle réducteur de l'acide tricarbolique (cycle rTCA, alias cycle inverse de l'acide citrique) a été à l'origine catalysé par les surfaces minérales. Cela a permis la formation des premières cellules, qui ont finalement développé des enzymes qui pourraient être utilisées pour catalyser le cycle du rTCA sans les catalyseurs minéraux. Cela satisfait le point (2) car il dit que la première solution évoluée utilisait essentiellement la même voie chimique que celle fournie par l'environnement, juste avec des catalyseurs différents.

(Toutes les hypothèses sur les origines de la vie n'ont pas cette forme. Certaines versions de la théorie du monde de l'ARN soutiennent que la vie basée sur l'ARN a été précédée par la vie basée sur un autre hétéropolymère, par exemple. Mais les hypothèses décrites ci-dessus sont très populaires.)

Du point de vue de la biologie évolutive, le point (2) semble plutôt une caractéristique étrange pour une hypothèse. L'évolution est excellente pour produire de nouvelles solutions aux problèmes, mais à ma connaissance, elle n'est pas bonne pour copier les anciennes. (Le mimétisme ne fournit pas de contre-exemple à cela, car il s'agit d'apparence plutôt que de mécanisme, et souvent le mimétisme produit le même effet visuel à travers un mécanisme très différent. Par exemple, bien que la cicadelle Cyphonia clavata imite l'apparence extérieure d'une fourmi, il ne le fait pas en étant anatomiquement similaire à une fourmi mais en ayant un visage sur sa crosse.)

Par conséquent, je recherche des exemples connus de la biologie évolutive qui satisfont à la fois au point (1) et au point (2). C'est-à-dire que je recherche des exemples où une espèce s'est appuyée à l'origine sur un processus relativement complexe dans son environnement et est devenue moins dépendante de son environnement en faisant évoluer un mécanisme proche de celui fourni à l'origine par l'environnement.

Un exemple qui pourrait faire l'affaire serait une espèce qui était à l'origine incapable de produire un métabolite clé (par exemple un acide aminé), mais qui a ensuite développé la capacité de produire le métabolite pour elle-même. La preuve de cela pourrait être constituée par la découverte d'une espèce qui produit le métabolite en utilisant un nouvel ensemble de protéines, indiquant que la capacité de produire le métabolite a été perdue puis réévoluée. Cela constituerait un exemple encore meilleur si les nouvelles protéines catalysent sensiblement la même voie chimique que d'autres espèces utilisent pour produire le même métabolite.

Il se peut qu'il n'existe pas de bons exemples de cela, ce qui est en fait mieux pour moi que s'ils le faisaient. Plus que n'importe quel exemple particulier, la principale chose que je veux savoir est si des idées dans ce sens ont été discutées en biologie évolutive (peut-être en dehors du contexte des origines de la vie), et si oui où je peux trouver la littérature à ce sujet .


Ça devenait long pour un commentaire :

  • Une espèce qui était à l'origine parasitaire, mais qui a ensuite évolué pour survivre indépendamment de son hôte en développant indépendamment les mêmes fonctions métaboliques

  • Un prédateur qui s'appuyait à l'origine sur sa proie pour synthétiser un métabolite vital, mais qui a ensuite développé la capacité de produire le
    métabolite manquant pour lui-même par une voie similaire

Un parasite est généralement évolué à partir d'une forme vivante libre. Il a un génome réduit et ne peut pas synthétiser de nombreux nutriments vitaux. Il est peu probable qu'il acquière un gène qui lui permettrait de vivre librement. Un parasite, en général, n'a pas besoin de synthétiser des nutriments ; il n'est donc soumis à aucune pression pour acquérir cette fonction tant que son hôte est excédentaire.

Il en est de même pour les prédateurs.

Fondamentalement, dans les organismes supérieurs, il est difficile d'évoquer un nouveau gène ; c'est un processus lent et se produit par modification génétique. Cependant, dans les organismes inférieurs (essentiellement unicellulaires), les transferts de gènes latéraux sont beaucoup plus faciles et il est possible qu'ils puissent acquérir de nouvelles voies métaboliques à partir d'autres organismes. Jetez un œil à cet article.

Chez les eucaryotes inférieurs, l'endosymbiose est un autre moyen par lequel de nouvelles voies métaboliques peuvent être acquises relativement rapidement. Une diatomée appelée Rhopalodia gibba, qui avait déjà un plaste secondaire dérivé d'une algue rouge, a acquis un autre plaste vert dérivé de cyanobactéries pour la fixation de l'azote. Vous pouvez également consulter ce post.

Pour votre question sur l'acquisition indépendante de traits ; presque toutes les voies métaboliques évoluent comme cela seulement. Les isoformes d'enzymes qui peuvent se lier à un substrat légèrement différent ont donné lieu à une autre étape de la voie.

Il est également possible de ingénieur un nouveau trait :
Des analogues nucléotidiques ont été créés pour créer un système nucléotidique de 6 lettres qui peut être répliqué par PCR[1, 2]. Plus tôt cette année, cela a été démontré in-vivo[3]. Il a été montré que ces nouveaux nucléotides peuvent également être transcrits (voir références croisées dans [3]).


Les E. coli une expérience d'évolution à long terme a montré que E. coli avait évolué une fonction (le métabolisme du citrate) qui n'était pas requise dans le milieu ancestral, mais qui a évolué naturellement et a été choisie pour ce nouveau milieu artificiel. AFAIK, c'est le seul exemple d'une fonction qui a été observée évoluant naturellement dans des conditions contrôlées.

La raison pour laquelle il est peu probable que des métazoaires développent de nouvelles voies métaboliques est due au fait qu'ils ont une longue durée de vie et donc des temps de reproduction. Cependant, comme WYSIWYG l'a déjà mentionné, presque toutes les voies métaboliques ont évolué de cette façon, il est simplement difficile à observer en raison des longues périodes impliquées.


Voyez cela plus comme un commentaire que comme une réponse, car c'est devenu trop long pour un commentaire. Cependant, je pense que certains des exemples devraient être pertinents pour affiner votre question.


Une chose que je trouve vague dans cette question est ce qui constitue exactement un « processus »/« fonction » ? Pour moi, cela peut être presque n'importe quoi. Vous semblez vous concentrer sur la biologie moléculaire et les voies biologiques, mais je pense qu'il est tout aussi raisonnable de penser en termes de processus à grande échelle. Si c'est le cas, il y a beaucoup de processus qui semblent valables dans mon esprit, concernant par ex. reproduction et dispersion.

Par exemple, dans les plantes primitives (et d'autres taxons), la fertilisation est externe et dépend de l'humidité de l'environnement pour transporter les gamètes. Les organismes à fertilisation interne ont contourné cela en fournissant leur propre mécanisme de fertilisation, qui ne dépend pas des processus environnementaux (dans la même mesure). Les forces évolutives derrière cela étaient peut-être/probablement qu'il était plus efficace et permettait la colonisation de nouveaux environnements.

Un autre exemple similaire est la dispersion des graines dans les plantes, où certaines sont dispersées par le vent (état "primitif") et d'autres utilisent des mesures actives pour éjecter les graines (ballochory). En faisant cela, ils ont contourné la dépendance du vent pour disperser leurs graines. Les mêmes types de mécanismes peuvent également être trouvés dans des groupes de mousses.

Dans ces deux cas, une fonction qui était auparavant externe et médiée par l'environnement est maintenant assurée par les organismes eux-mêmes, et ils impliquent des adaptations morphologiques et anatomiques assez compliquées. Les trouvez-vous valables pour votre question ? Ce ne sont que deux exemples, mais il existe de nombreux cas similaires.

Plus dans la ligne des commentaires à votre question, je pense que vous devriez fournir une ou deux références à l'hypothèse à laquelle vous faites référence (c'est-à-dire où elle a été utilisée/discutée), ce qui faciliterait la compréhension exacte de ce que vous recherchez ( et fournissent également une entrée dans la littérature). Cela pourrait peut-être aussi aider à expliquer pourquoi le "… la solution évoluée « fait écho » à celle fournie par l'environnement". Pour le moment, je ne comprends pas du tout pourquoi cela devrait être le cas en général. L'évolution adaptative se produit en raison de la sélection qui agit sur les différences de fitness, et il est indifférent de savoir si le mécanisme fait écho à une solution précédente à un problème similaire (sauf pour le fait que l'évolution est limitée par l'histoire évolutive des organismes).


Après avoir examiné cette question un peu plus, je pense qu'une caractéristique clé pour que cette hypothèse fonctionne est que la fonction d'origine doit être si intégrée et vitale pour la biologie de l'organisme qu'elle doit être imitée/écho dans une certaine mesure. En ce qui concerne votre exemple d'ARN, il ne suffisait pas de développer la capacité de synthétiser une molécule complexe pouvant fonctionner comme une enzyme et un vecteur d'information, mais devait être de l'ARN car celui-ci était déjà utilisé dans les voies biologiques de l'organisme primitif.

Dans cet esprit, je pense que vous devriez examiner de près les vitamines (ou d'autres nutriments essentiels) pour rechercher des preuves de processus similaires. L'idée clé concernant les vitamines est qu'il s'agit souvent de grosses molécules complexes qui sont des nutriments vitaux et que la capacité de synthétiser les vitamines diffère considérablement d'un taxon à l'autre. Dans un sens, les nucléotides étaient des nutriments essentiels pour les organismes dans le monde de l'ARN proposé, donc les vitamines/nutriments essentiels devraient être un analogue pertinent pour rechercher des processus évolutifs similaires. Cependant, gardez à l'esprit que la biologie moléculaire n'est pas du tout mon domaine, et je peux me tromper sur certains aspects.

Prenons l'exemple de Vitamine C. Cela ne peut pas être synthétisé par l'homme, mais par la plupart des autres mammifères (la synthèse de la vitamine C est considérée comme ancestrale chez les mammifères). Il peut également être synthétisé par les plantes, les levures et de nombreux autres animaux. Cependant, la vitamine C est utilisée de différentes manières dans différents organismes. Les plantes l'utilisent, par ex. pour la photosynthèse, la photoprotection, la croissance de la paroi cellulaire et la synthèse des hormones végétales, tandis que les humains et les autres mammifères l'utilisent comme cofacteurs enzymatiques et pour les réponses immunitaires. Un autre aspect clé est que les plantes, les levures et les animaux utilisent tous des voies différentes pour synthétiser la vitamine C (Drouin et al, 2011), ce qui indique que la synthèse de la vitamine C n'est pas ancestrale à tous ces taxons (c'est-à-dire pas une caractéristique ancestrale de tous les eucaryotes la vie). Chez les mammifères, la synthèse de la vitamine C a également changé plusieurs fois entre les organes, ce qui indique également de nouvelles adaptations qui aboutissent à la même molécule.

Pour moi, il semble très probable que la vitamine C ait été initialement obtenue par les animaux à partir de plantes (qui ont des concentrations très élevées de vitamine C) dans le cadre de leur alimentation (c'est-à-dire fournie par l'environnement) et est devenue un composant essentiel dans de nombreuses voies biologiques. Si tel est le cas, les animaux ont ensuite acquis la capacité de synthétiser eux-mêmes la vitamine C, en utilisant une voie biologique différente de celle des plantes. Cette caractéristique a ensuite été secondairement perdue (par exemple, les humains et les poissons téléostéens) et regagnée plusieurs fois dans différents taxons. Cependant, c'est une spéculation de ma part, et je ne connais pas assez bien cette littérature pour dire s'il existe des études sur l'origine de la synthèse de vitamine C chez les animaux, ou si les voies de synthèse de la vitamine C chez les plantes et les animaux sont fondamentalement liées . Une revue de Smirnoff et al (2001) indique qu'il existe certaines similitudes entre les enzymes impliquées dans les étapes finales de la synthèse de la vitamine C :

Le gène et/ou les ADNc codant pour GalLDH, GulLO ​​et AraLO ont été isolés et décrits à partir de plusieurs organismes, notamment le chou-fleur, la patate douce (GalLDH, 54, 121), le rat (GulLO, 70) et Saccharomyces cerevisiae (53). De plus, les séquences complètes de codage des nucléotides des gènes GalLDH d'A. thaliana et Nicotiana tabacum (numéro d'accès AB042279.1, AB024527.1) et du gène AraLO de Candida albicans (numéro d'accès AF031228) ont été soumises directement à GenBank et associées bases de données. Les séquences d'acides aminés prédites de ces protéines apparentées partagent des quantités substantielles d'identité. La séquence d'acides aminés GalLDH du chou-fleur mature partage 28 % d'identité globale avec le rat GulLO ​​et 26 % d'identité avec le Candida albicans AraLO (en utilisant la méthode J Hein avec le tableau de poids des résidus PAM250).

Cependant, cela ne signifie pas nécessairement que la synthèse de la vitamine C est ancestrale à la fois pour les plantes et les animaux. Je n'ai pas pu trouver d'articles sur l'origine de la synthèse de la vitamine C, et s'il existe des preuves qu'elle est ancestrale à toute vie moderne.

Dans les deux cas, je pense qu'il pourrait être utile pour vous d'examiner de près les vitamines chez les animaux ou d'autres organismes pour des exemples possibles du type de processus que vous recherchez, car ce sont (par définition) des nutriments essentiels que certains animaux peuvent et d'autres ne peut pas synthétiser. Ils devraient donc être de bonnes cibles potentielles pour trouver des processus similaires à votre exemple d'ARN. Vitamine B12 est un extrême à l'autre extrémité, car il est essentiel pour la plupart des animaux mais ne peut être synthétisé que par des bactéries (la source principale est donc la symbiose bactérienne).

Il est également possible que je me trompe, et que la synthèse de toutes les vitamines soit ancestrale à la vie moderne, et qu'il n'y ait eu que la perte ultérieure de la capacité de synthétiser certaines vitamines/nutriments. Helliwell et al (2013) mentionne cela comme une possibilité en relation avec le monde de l'ARN, mais souligne également que les voies de biosynthèse diffèrent souvent entre les taxons, ce qui suggérerait qu'il y a bien eu une acquisition secondaire :

La nature fondamentale des vitamines est illustrée par la relation structurelle étroite de nombreuses vitamines avec les nucléotides (Figure 1), reflétant la probabilité qu'ils étaient présents dans l'ancien monde de l'ARN. Pourtant, leurs voies de biosynthèse semblent être apparues via le modèle patchwork d'évolution des voies [31], entraînant le recrutement de protéines non apparentées dans une seule voie. En effet, de nombreuses vitamines sont synthétisées par différentes voies dans différents organismes [20]. Par exemple, des voies alternatives sont trouvées pour la biosynthèse de la thiamine chez les procaryotes et chez différents eucaryotes (Figure 2) [20]. Malgré cette diversité dans les voies de biosynthèse, il semble y avoir des tendances communes dans les causes et les mécanismes sous-jacents à la perte des voies.


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