La diversité des formes du vivant repose sur une astuce géométrique géniale de la nature.

Savez-vous comment dessiner le plus grand nombre d'espèces de poissons en un minimum de temps ? Il y a un truc. Dessinez-en un sur un film plastique extensible et vous pourrez en faire apparaître autant que vous le voulez en jouant sur la déformation du film. C'est simple et efficace. Etirée dans le sens de la longueur, votre dorade ressemblera immanquablement à un thon. Tirez encore, voici un maquereau, puis une anguille. Relâchez la pression horizontale et jouez sur des étirements en diagonale. C'est un loup, un grondin, une rascasse... Tout l'étal du poissonnier ! Et cela fonctionne tout aussi bien pour les oiseaux (la cigogne est un moineau savamment étiré), les arbres, leurs feuilles et toutes les formes connues dans la nature. Cette ruse, qui pourra amuser les enfants et conforter les fainéants, est parfaitement connue depuis la publication, en 1917, du magnifique ouvrage de science Forme et croissance signé par D'Arcy Thompson, brillant biologiste et mathématicien écossais.
Or, voici que sa "théorie des transformations", injustement oubliée depuis près d'un siècle, est remise sur le devant de la scène par une équipe de généticiens. Preuves tangibles à l'appui, ils affirment que la nature ne s'y prend pas autrement pour engendrer les formes les plus diverses à partir de formes plus élémentaires. Ils nous disent que si Darwin avait raison, D'Arcy Thompson n'avait pas tort et qu'en réconciliant le premier (qui cherchait des forces externes aux espèces pour expliquer leur origine) et le second (concentré sur les contraintes internes liées à leur développement) on s'offre une clé nouvelle et particulièrement éclairante pour expliquer la diversité des formes du vivant. Et tant pis si, au passage, dame Nature révèle sa nature paresseuse. Savoir faire beaucoup avec peu, c'est aussi une preuve d'intelligence.

Comment les espèces se sont-elles diversifiées ? Des biologistes viennent de percer le mystère : l'évolution serait régie par de simples réglés géométriques dictés par quelques gènes. Une nouvelle vision qui dévoile l'ingéniosité de la nature, et qui rend hommage à un grand savant resté dans l'ombre de Darwin : D'Arcy Thomson.

Prenez une feuille d'érable, un autre de chêne, un troisième de marronnier. Tailles, contours, textures... Leurs différences sautent aux yeux. Mais une autre évidence s'impose : toutes semblent taillées d'après un même patron, comme issues d'une même forme originelle qui aurait été, selon les cas, agrandie, contractée, tondue ou inclinée... Et cette impression vaut également pour toutes les espèces. Au-delà de leurs différences, en effet, rien ne ressemble plus à un chien qu'un autre chien, un papillon à un autre papillon, une mouche à une autre mouche... Comment expliquer ces différences et ses ressemblances qui, tout à la fois, rapprochent et séparent les espèces ? En un mot, quelle est le secret de la nature pour créer, au fil de l'évolution, une telle diversité du vivant ? Au terme d'une enquête à la crojsée de la géométrie, de la morphologie, de la génétique, de la protéinologie et de l'embryologie, ce secret de la transformation des espèces n'en est désormais plus un. Et la solution de l'énigme laisse une nouvelle fois admiratif devant l'ingéniosité de la nature : pour se déployer sous toutes ses formes, celle-ci exploite un procédé à la fois si simple et efficace qu'il s'apparente à une formidable ruse.

GÉOMÉTRIE EUCLIDIENNE

Tel est en tout cas ce qui ressort des travaux d'Arkhat Abzhanov et de sescollègues du Département de biologie évolutionnaire de l'université Harvard, à Cambridge, aux États-Unis. Ils prolongent l'étude de ce que, depuis une trentaine d'années, les biologistes appellent les "gènes architectes", qui, chez la feuille, le papillon, la mouche ou encore l'homme, dictent le plan de construction de l'organisme en poussant les cellules à croître, à se différencier ou à disparaître (encadré ci-dessous). Or, l'équipe d'Abzhanov vient de mettre en exergue des gènes qui, eux, déforment ce plan de construction. Et pas n'importe comment, mais en suivant des principes de... géométrie euclidienne du niveau d'un élève de seconde ! En pratique, l'équipe d'Harvard a découvert que ces drôles de gènes - que l'on pourrait baptiser "gènes géomètres" - jouent le rôle de curseurs : la moindre variation dans leur degré d'expression aboutit à une transformation de la silhouette. Ici, l'organisme devient fin et allongé, là, il se fait large et arrondi. Ainsi s'expliquerait la création des espèces : l'évolution serait gouvernée non pas par des recombinaisons génétiques étranges et sophistiquées, mais par de simples transformations géométriques dictées par quelques gènes. Et, comme un clin d'oil à l'histoire, ce ressort géométrique de l'évolution a été mis en évidence sur une espèce qui occupe une place tout à fait particulière dans l'imaginaire des biologistes : les pinsons des îles Galapagos... ceux-là même qu'on appelle les "pinsons de Darwin".

DES GÈNES IDENTIQUES POUR DES ÊTRES DIFFÉRENTS Découverts dans les années 1980, quelques centaines de gènes, baptisés "gènes architectes", dictent le développement d'organes aussi différents que le thorax, la tête, les jambes ou les ailes au sein d'organismes aussi différents que la mouche, le poulet, la souris ou l'homme... Comment un même "kit de construction" peut-il produire cette immense variété de formes ? La réponse n'a été apportée que ces dernières années. Ces gènes architectes, qui ne sont actifs qu'à des moments précis du développement, poussent les cellules à croître, se développer de manière variée selon leur localisation. Aucun ne fabrique directement les organes, mais chacun active de très nombreux autres gènes, qui, eux, entraînent la production, par les cellules de l'embryon, des protéines et autres molécules nécessaires à leur construction. Jusqu'à obtenir des mouches ressemblant à des mouches, des poulets à des poulets, des hommes à des hommes.

Lorsqu'en 1835, le jeune Charles Darwin visite cet archipel du Pacifique constitué d'une vingtaine de petites îles, il découvre un monde à part, peuplé d'espèces à la fois familières et originales. Parmi les iguanes, tortues et autres albatros, les pinsons attirent toutefois son attention : ces passereaux lui apparaissent fort différents suivant l'île sur laquelle ils ont élu domicile. Leurs becs, en particulier, sont de formes et de tailles extraordinairement variées : larges et puissants pour les pinsons qui broient des graines au sol ou des fruits dans les arbres ; effilés pour ceux qui chassent les insectes dans les feuillages... Cette variété de formes de becs parmi les treize espèces recensées étonne beaucoup Darwin. À son retour en Angleterre, en 1837, il en présente des spécimens à des confrères, dont le célèbre prnithologue John Gould. Lequel lui confirme que, malgré leurs différences morphologiques frappantes, ces treize espèces appartiennent toutes au même genre. On connaît la suite : cet étonnement va contribuer à nourrir une réflexion qui, vingt ans plus tard, aboutira à la théorie de l'évolution et auquel fait écho le premier chapitre de L'Origine des espèces, ouvre maîtresse du naturaliste, publiée en 1859.
De fait, cet ouvrage fondateur commence par une description méticuleuse des formes de becs et de plumes. Certes, il ne s'agit pas de pinsons - Darwin relate là son observation de différentes "races" de pigeons d'élevage -, mais la préoccupation est la même : chercher ce qui relie entre elles des espèces proches. "Le développement des os de la face diffère énormément, tant par la longueur que par la largeur et la courbure, dans le squelette des différentes races, écrit Darwin. La forme ainsi que les dimensions de la mâchoire inférieure varient d'une manière très remarquable". Avant de souligner, quelques pages plus loin : "Quelque considérable que soit la différence qu'on observe entre les diverses races de pigeons, je me range pleinement à l'opinion commune des naturalistes qui les font descendre du pigeon biset". L'idée maîtresse est là, et Darwin va l'étendre à tout le vivant, animal ou végétal : chaque espèce est le fruit de changements survenus chez celle qui l'a précédée, les individus de la nouvelle espèce se distinguant par certains traits apparus au hasard, à la suite de variations de caractères accumulées et conservées. Une vision qui a été jusqu'ici abondamment confirmée et complétée par les données accumulées en génétique, en biologie et en paléontologie.
Mutation et sélection : pour les successeurs de Darwin, les becs des pinsons des Galapagos deviendront l'incarnation parfaite de l'action conjuguée de ces deux forces fondamentales de l'évolution. Ainsi, pour les pinsons de Darwin, tout est parti d'une unique espèce arrivée sur l'archipel il y a 2,3 millions d'années, Au fil des générations, les individus que le hasard a gratifié d'un bec plus long et fin que la normale se sont trouvés avantagés pour se nourrir sur les îles à insectes, tandis que, sur les îles à graines, ce sont les becs larges et courts qui ont eu l'avantage. Au gré de ce processus implacable, les formes de becs se sont ainsi adaptées au type de nourriture disponible sur leur île d'adoption, pour finalement donner naissance aux treize espèces observées par Darwin. Restait cependant une énigme : par quel mécanisme biologique la morphologie de ces oiseaux a-t-elle pu se transformer ? Quel type de mutation a permis à une lignée de pinsons de voir leur bec s'allonger ou, au contraire, s'épaissir ?

LE PREMIER BIOMATHÉMATICIEN

Pour répondre à cette question jusqu'ici sans réponse, Arkhat Abzhanov a eu l'idée de s'inspirer d'un autre monument de la littérature biologique, un des plus beaux livres de science jamais écrits, resté paradoxalement confidentiel : Forme et croissance, parue en 1917 et signée D'Arcy Thompson. D'Arcy Thompson ? Ce biologiste et mathématicien écossais né en 1860, juste un an après la parution de L'Origine des espèces, s'attacha à comparer la géométrie des espèces afin, espérait-il, d'élucider les causes physiques fondamentales présidant aux formes naturelles. Convaincu que "les différences essentielles entre une espèce et une autre se ramènent à des différences de proportion, ou d'amplitudes relatives, ou, comme Aristote l'écrivait, d'insuffisance ou d'excès", celui qui fut le premier biomathématicien proposa une "théorie des transformations", qui s'applique à relier les formes des individus de différentes espèces grâce à des transformations géométriques basiques (rotation, homothétie, etc.). Et cela fonctionne ! En plaquant des quadrillages réguliers sur divers dessins d'espèces, le livre du biologiste écossais présente quantité d'exemples frappants, montrant comment relier géométriquement le crâne d'un lapin à celui d'un cheval, la forme du poisson diodon à celle du poisson-lune, ou la forme de la carapace de divers crabes.

UNE VOIE COMPLÉMENTAIRE

Au point que quelques croquis comparés de crânes de chimpanzés et d'hommes permettraient d'établir avec certitude le degré de parenté entre ces deux cousins ? Non. La "théorie des transformations" était insuffisamment précise et son auteur lui-même le reconnaissait, y compris lorsque, quadrillages en main, il spéculait sur les embranchements évolutifs entre certaines espèces. Mais le biologiste écossais n'en ouvrait pas moins une voie nouvelle, complémentaire de celle tracée par Darwin : plutôt que de chercher à expliquer la forme des êtres vivants par des contraintes externes, liées aux pressions de l'environnement exercées durant le temps long de l'évolution, il invitait à étudier les contraintes internes, liées aux forces physiques exercées durant le temps court du développement embryonnaire.
Force est de constater que cette voie, à la frontière de la géométrie et de la biologie, fut, en réalité, peu empruntée durant le XX' siècle. Accaparés par les incessantes découvertes de la biologie moléculaire, la plupart des spécialistes de la théorie de l'évolution se sont désintéressés de la forme globale des organismes pour se pencher sur les mécanismes présidant à leur développement. C'est pourtant en rechaussant les lunettes du naturaliste écossais que l'équipe d'Arkhat Abzhanov est parvenue à éclairer d'un nouveau jour l'origine de la diversité des espèces.
Les chercheurs ont commencé par scanner le profil des becs de deux ou trois individus de chacune des treize espèces de pinsons des Gahipagos. De quoi établir le dessin exact du profil type de chaque espèce... et découvrir que deux transformations géométriques très simples suffisent pour obtenir le profil du bec de n'importe quelle espèce à partir de celui de n'importe quelle autre : une homothétie et une transvection. Deux opérations simplissimes : imaginez le profil d'un bec dessiné sur un quadrillage que vous agrandissez ou rétrécissez - c'est l'opération d'homothétie - ou dont vous penchez les lignes horizontales ou verticales selon un angle donné - c'est l'opération de transvection. Que ces deux opérations géométriques suffisent à métamorphoser un pinson casseur de noix, au bec massif, en pinson chasseur d'insectes au bec fin est déjà une belle surprise, dans la droite filiation de D'Arcy Thompson (infographie ->).
Mais ce n'est qu'un début. Non contentes de relier les treize espèces de pinsons entre elles, ces deux opérations les répartissent en trois groupes : au sein de chacun d'eux, chaque bec présente la même forme, à une homothétie près ; et pour passer d'un groupe à l'autre, il suffit d'opérer une simple transvection. Or, cette classification tirée d'une analyse purement géométrique correspond exactement à celle issue de l'arbre évolutif : le premier groupe rassemble les espèces du genre Geospiza, le deuxième des genres Camarhynchus, Pinaroloxias et Certhidea, et le troisième du genre Platyspiza. En d'autres termes : les groupes formés par les transformations géométriques recoupent parfaitement la classification des genres et espèces de pinsons établie par la classification traditionnelle (infographie). Pour la première fois, les quadrillages tordus de D'Arcy Thompson se sont superposés avec les arbres de Charles Darwin. "Que ce classement par les transformations donne effectivement un mode de regroupement des espèces, voilà qui n'est pas tout à fait inattendu, résume Benoît Robert, chercheur au laboratoire de Génétique moléculaire et morphogenèse de l'Institut Pasteur. Mais encore fallait-il le montrer. Et cette reconstruction phylogénétique obtenue est incroyablement fiable".
Là n'est pourtant pas l'intérêt principal de cette étude. Comme le souligne Arkhat Abzhanov, "nous n'avions pas pour but de réviser l'arbre phylogénétique des Pinsons ! Cet arbre a été établi par de précédentes études, à partir de nombreux marqueurs moléculaires". Pour lui et ses collègues, le défi était ailleurs : une fois la pertinence des transformations géométriques démontrée, ils voulaient leur trouver une origine biologique. Leur raisonnement était fondé sur une audacieuse hypothèse, directement inspirée des travaux de Darwin et Thompson : si, au cours des millions d'années passées, la forme de ces becs n'a évolué qu'à travers deux transformations géométriques, l'homothétie et la transvection, alors il doit exister, dans le mode de production des protéines qui forment ces appendices nasaux, deux mécanismes génétiques dont l'action est purement géométrique, l'un capable d'agrandir les becs et l'autre de les incliner.

BMP4, UNE PROTÉINE CLÉ

Arkhat Abzhanov ne s'est pas contenté de comparer la forme des becs des pinsons des Galapagos (les six espèces du genre Geospiza vues par scanner tomographique ->). Il a ensuite mis en regard ces formes avec la quantité de protéines Bmp4 produite lors de l'embryogenèse. De quoi montrer le rôle purement géométrique du gène exprimant cette protéine : son degré d'expression, variable au fil des générations, influe directement sur la taille finale du bec.
Or, les biologistes de Harvard avaient justement travaillé quelques années auparavant sur la génétique du développement du poulet - un animal très proche du pinson - et plus particulièrement sur une protéine, appelée Bmp4 : connue pour être impliquée dans la croissance osseuse lors du développement embryonnaire, elle semblait gouverner la taille des becs. Se pourrait-il alors que le mécanisme génétique produisant cette protéine soit justement le curseur de la transformation par homothétie ?
Pour le savoir, les chercheurs ont entrepris de mesurer la quantité de cette protéine produite lors de l'embryogenèse. Une tâche délicate - il s'agit de détecter la protéine dans les tissus de dizaines d'embryons à un moment bien précis de leur développement. Mais qui a porté ses fruits : les chercheurs ont démontré que, plus la protéine Bmp4 est présente dans le bec embryonnaire, plus le bec adulte s'inscrit dans un quadrillage "étiré" par rapport aux autres espèces. Les gènes gouvernant la production de cette protéine agissent donc bien comme un curseur de l'homothétie. Que ce bouton soit légèrement tourné dans un sens ou dans l'autre, et le bec qui en résulte dévient plus ou moins grand, avec une forme globale identique.
Théoriquement, en jouant sur la quantité de Bmp4 à un stade précis de l'embryogenèse, il est donc possible de transformer l'appendice nasal d'un "géospize à gros bec" en celui d'un "géospize fuligineux", ou un "géospize piquebois" en "géospize olive" ! Si les biologistes ne s'y sont pas essayés, une telle expérience a déjà été réussie in vivo, en 2004, avec des poulets : "Jusqu'ici, les manipulations de l'expression de la protéine Bmp4 ont permis d'effectuer de très beaux changements des paramètres d'échelle des becs d'embryons de poulet... Mais cela reste, fondamentalement, une forme de bec de poulet !"
De fait, seul le mécanisme responsable de l'homothétie a été découvert. Celui de la "transvection", lui, reste encore un mystère. Plus pour longtemps ? Arkhat Abzhanov veut le croire : "Nous sommes désormais à la recherche de phases de développement embryonnaire capables de produire les formes de bec obtenues par transvection, comme celles des géospizes 'olive' et 'minuscule'. Je pense qu'il faut s'intéresser à des stades très précoces. Et je pense vraiment qu'une fois que nous aurons découvert ces mécanismes, nous devrions pouvoir induire des transformations de type 'transvection' dans nos expériences menées sur les poulets."

L'AUTRE GRANDE ASTUCE DE LA NATURE POUR CRÉER DES FORMES À l'origine de nos vertèbres, des pattes spécialisées des insectes ou des anneaux des vers, on trouve un principe morphologique simple et efficace : plutôt que de créer un nouvel organe à partir de rien, il suffit de multiplier un élément donné, modifiable ensuite à volonté. Un principe exploité chez les trois groupes les plus prospères et diversifiés : arthropodes (insecte, crustacé, etc.), vertébrés (mammifère, serpent, etc.) et annélides (vers). Cet avantage évolutif majeur, appelé segmentation, a été acquis par leur ancêtre commun il y a 600 millions d'années via la modulation de l'expression des gènes architectes, qui gouvernent le développement embryonnaire.

GRANDE ÉCONOMIE DE MOYENS

En parallèle, l'équipe d'Harvard s'attache maintenant à étendre son analyse aux becs d'autres espèces d'oiseaux plus ou moins éloignées des pinsons. Et plusieurs autres laboratoires poursuivent cet effort de mesure rigoureuse des dimensions des êtres vivants, espérant y trouver des liens entre transformation géométrique et expression génétique. C'est en particulier le cas du laboratoire d'Enrico Coen au centre de recherche John-Innes en Angleterre, qui étudie les mécanismes responsables de la forme des feuilles de gueule-de-loup, une plante sauvage à la morphologie très variée qui se rencontre en Europe occidentale et aux Etats-Unis. En analysant avec précision la géométrie des feuilles d'une vingtaine d'espèces différentes et en croisant ces données avec la carte d'expression de leurs gènes, ces chercheurs ont mis au jour trois mécanismes qui impliquent une quinzaine de gènes, dont les actions, purement géométriques, permettent d'engendrer toutes les morphologies observées (le premier, d'ordre homothétique, change la taille, tandis que les deux autres déforment le dessin). Comme pour le pinson, ces trois mécanismes jouent donc le rôle de boutons de réglage de la forme de la feuille : une simple modification dans le degré d'expression de ces gènes suffit pour passer d'une espèce de gueule-de-loup à une autre.
Même s'ils restent partiels, ces travaux permettent d'ores et déjà de saisir un ressort de la transformation des espèces jusqu'ici méconnu. Tout se passe comme si le génome des êtres vivants, animal ou végétal, était pourvu d'un certain nombre de curseurs géométriques, permettant au processus d'évolution d'explorer de nouvelles formes avec une grande économie de moyen. Un bricolage diablement habile !
Plutôt que d'attendre des mutations génétiques aléatoires et miraculeuses, il est en effet beaucoup plus simple d'engendrer de la diversité morphologique en jouant simplement avec ces curseurs : il suffit d'une petite variation dans leur position pour que les organes s'étirent et se déforment. Et pour que, au fil de centaines de milliers de générations soumises à ces mutations géométriques patiemment sélectionnées, la forme des organes change et s'adapte aux variations de l'environnement.
Inspirée par la théorie de l'évolution de Charles Darwin autant que par la théorie des transformations de D'Arcy Thompson, cette traque des "gènes géomètres" ne fait que commencer. Avec l'espoir que cette conjugaison de la biologie et de la géométrie permettra de mieux décrypter les astuces exploitées par l'évolution pour dessiner tant de variétés d'espèces. De dévoiler le bricolage génial patiemment mis au point par la nature pour générer cette formidable diversité au sein du règne du vivant.