L’horloge moléculaire, qu’est-ce que c’est ?

L'horloge moléculaire se fonde sur les variations de la séquence ADN. Shutterstock

Peut-on comprendre l’ensemble des liens de parenté entre tous les organismes vivants ? C’était, il y a 150 ans, le défi posé à Charles Darwin et repris par tous les évolutionnistes qui lui ont succédé. L’arbre de la vie (dit arbre phylogénétique) en est la représentation graphique. Aujourd’hui, les méthodes qui permettent de dessiner ses branches dépasseraient les attentes de l’auteur de L’origine des espèces. Les biologistes utilisent à cet effet une technique appelée horloge moléculaire, qui permet de dévoiler le passé en déchiffrant les « histoires » écrites dans les gènes des organismes vivants.

À grande échelle, l’horloge moléculaire a permis aux paléontologues de dévoiler l’histoire de l’évolution sur des millions d’années. Et à petite échelle, les épidémiologistes sont en mesure de retracer la propagation des maladies sur quelques décennies.

Dater l’origine des espèces

On l’a parfois baptisée « l’horloge de l’évolution » ou « l’horloge des gènes » : le concept d’horloge moléculaire a été forgé à partir de la notion d’hérédité. Tout être vivant est un réceptacle d’informations transmises par la génération précédente sous la forme de molécules comme l’ADN. Comme ces supports de stockage de l’information génétique changent progressivement au fil du temps, on peut les utiliser pour dater les changements évolutifs qui concernent chaque espèce et chaque individu.

Une métaphore pour illustrer le concept : imaginez un monastère isolé où un livre ancien est copié, génération après génération, par les moines. Un jour, l’un des religieux décide de s’aventurer à travers le vaste monde et finit par fonder un nouveau monastère, une copie du livre sous le bras.

Il poursuit le travail de copie pour que le livre puisse être transmis aux générations futures. Inévitablement, des erreurs mineures se glissent dans les pages copiées. Elles ne modifient pas le sens du livre, de sorte qu’elles ne sont pas remarquées ou corrigées. Par conséquent, les copies ultérieures accumulent les changements.

Des siècles plus tard, une chercheuse visite les deux monastères. Elle conclut qu’ils doivent avoir une origine commune parce que chaque établissement possède un livre tellement semblable qu’il serait impossible qu’il provienne de deux sources différentes. Elle voudrait savoir depuis quand les deux livres ont commencé à se distinguer : elle étudie donc les différences entre les deux textes. Comme c’est une professionnelle avertie, elle sait que ces variations (essentiellement, des changements orthographiques) surviennent à un rythme globalement constant au fil du temps.

Elle constate qu’il y a 100 changements par page, chacun d’entre eux prenant 10 ans à apparaître. Il faut ensuite diviser le total par 2, puisque les différences proviennent de deux sources. Le calcul donne une origine commune aux deux livres remontant à 500 ans.

Que représente ce livre métaphorique ? C’est le génome d’un être vivant. Chaque chapitre est un gène, lui-même composée de séquences de nucléotides A, T, C et G. Les monastères sont les espèces, et les moines sont les individus appartenant à cette espèce. Les changements sont les mutations génétiques.

Il y en a de différentes sortes. Certains changements n’ont aucun effet sur la structure de l’ADN : on les dit « neutres ». Ce qui veut dire qu’ils s’accumulent dans la séquence génétique sans être corrigés ou mis au rebut par le processus de sélection naturelle. Depuis que nous pouvons déchiffrer le génome, nous pouvons nous servir de ces mutations pour pouvoir comparer les espèces et en déduire leur histoire évolutive.

Le tic-tac incertain de l’ADN

La complexité de la biologie, cependant, rend le fonctionnement de l’horloge moléculaire plus délicat à comprendre. Ainsi, trois facteurs de l’évolution peuvent fausser l’horloge moléculaire.

Dauphins et requins se ressemblent, mais ne sont pas des proches parents. Albert Kok, CC BY-SA

Premièrement, l’évolution peut être convergente. Cela signifie que différentes espèces ont évolué de façon indépendante vers une forme similaire, ce qui peut induire en erreur si on les considère comme proches parents. Par exemple, il serait erroné de penser que les requins et les dauphins ont des liens serrés de parenté parce qu’ils se ressemblent. Ils ont tout simplement des habitats et des proies comparables, ainsi que le même type de pression de sélection. La même chose peut arriver avec des séquences ADN.

Deuxièmement, certains gènes peuvent évoluer rapidement. Les changements qui en résultent peuvent se traduire par une “réécriture” de la séquence (les généticiens appellent cela “saturation”) : cela bouleverse la relation proportionnelle entre le nombre des changements et le temps passé, et donc cela fausse l’horloge.

Dans le même ordre d’esprit, les sections du génome sont parfois dupliquées ou perdues, voire même transférées entre organismes qui ne sont pas des proches parents : c’est le transfert horizontal de gènes. Cela peut rendre la comparaison difficile. Pour minimiser ce genre de biais, il est tout de même possible de sélectionner rigoureusement les données pour le calcul.

L’arbre des vertébrés de Haeckel, 1879. Ernst Haeckel

Troisièmement, le taux des variations génétiques n’est pas toujours parfaitement cohérent. En effet, il y a différentes parties du génome qui évoluent à des rythmes différents, et ces taux ont, de plus, également changé au fil du temps. La solution adoptée par les généticiens est appelée la « calibration des fossiles ». Il s’agit de s’entendre sur un niveau de modifications génétiques que l’on connaît pour en déduire le temps écoulé. Pour certaines lignées évolutives, nous pouvons repérer la date d’apparition de l’ancêtre commun aux espèces apparentées tout simplement parce que nous avons un fossile de cet aïeul. Pour savoir combien de temps il a vécu, on utilise des techniques telles que la datation radiométrique.

Si nous connaissons la relation entre le moment de la divergence entre deux lignées et le niveau des changements génétiques qui les concernent, nous pouvons extrapoler cette relation à tout le reste de l’arbre de l’évolution, estimant, grâce à l’horloge moléculaire, les moments d’autres divergences.

Étant donné les incertitudes dans la datation des fossiles et les taux des changements évolutifs, l’horloge moléculaire ne peut pas être extraordinairement précise. Mais lorsqu’elle est utilisée correctement, les informations produites sont utiles : considérons simplement que le manque de précision reflète nos incertitudes sur le passé. Après tout, le processus d’apparition des espèces lui-même ne se fait pas en un instant, mais au fil de périodes de temps considérables.

L’ancêtre commun des humains et des chimpanzés vivait il y a 8 millions d’années. AfrikaForce/flickr, CC BY

Un exemple : affirmer que les chimpanzés et les humains ont divergé il y a 8 028 519 ans est moins utile que de dire que les deux lignées se sont séparées il ya 8 millions d’années, plus ou moins 300 000 ans. Après, il est possible d’affiner grâce à un calibrage plus serré des données.

Dévoiler l’histoire du vivant

L’horloge moléculaire a brossé un grand récit de l’évolution sur courtes et longues périodes. Par exemple, en 2012, les chercheurs ont démontré qu’à propos de l’épidémie de Sida en Inde, on pouvait remonter à l’ancêtre commun du virus impliqué il ya 40 ans, et de cela, ils pourrait déduire la propagation de la maladie. Cet éclairage a permis de prédire où la maladie se propagerait, et rendu possible le déploiement préventif de ressources propre à sauver d’innombrables vies.

Les paléontologues utilisent la technique de l’horloge moléculaire pour dévoiler l’histoire du vivant, palliant, pour certains groupes d’espèces, le faible nombre de fossiles. Par exemple, nous savons grâce à elle que les pingouins descendent d’un ancêtre plutôt récent (géologiquement parlant), il ya environ 20 millions d’années. Tandis que la première forme cellulaire complexe que l’on sait avoir émergée de lignées bactériennes est datée d’il y a plus de 1,2 milliard d’années. Ces exemples élargissent notre connaissance de la dynamique de l’évolution.

Alors que nous continuons à progresser dans notre compréhension de l’évolution, nous pouvons espérer réaliser le projet de Darwin d’un Arbre de Vie. S’il ressuscitait, il serait enchanté du travail accompli, découvrant les détails de la parenté relativement récente des hippopotames et les baleines, ou les liens anciens entre les bactéries et les mitochondries. Avec l’horloge moléculaire, nous construisons l’arbre de vie, nous dessinons ses branches et jaugeons la profondeur de ses racines.

La version originale de cet article a été publiée sur The Conversation UK.