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Informer et accompagner
les professionnels de léducation Cycles 2 3 4
Sciences de la vie et de la Terre
Mettre en œuvre son enseignement dans la classe
Thème 3 : le corps humain et la santé
Une nouvelle biologie, qui prend mieux
lévolution en compte
1. Le caractère aléatoire de lexpression génétique
Dans le numéro du journal Science du 16 août 2002 un article fit grand bruit. Un même gène,
dans des cellules présumées identiques, dans un environnement identique, ne sexprime pas
de la même façon. Cest le fruit dune variabilité fondamentale qui résulte du comportement
aléatoire de la machinerie cellulaire, comportement que nous avons désormais les moyens
techniques de détecter, et surtout la prédisposition intellectuelle pour laccepter. En effet,
nous aimions bien penser auparavant que lordre apparent à grande échelle (celui du « bon
fonctionnement » de lorganisme) provient dun ordre à petit échelle, ordre donné par des
instructions, des donneurs dordre, un programme. Lexpression aléatoire des gènes suivie
de phénomènes sélectifs nous offre désormais à penser un ordre à grande échelle (celle de
la population) à partir de variations désordonnées parmi la multitude à petite échelle. Le
caractère stochastique, cest-à-dire aléatoire, de lexpression génétique était démontré, et na
fait que se confirmer depuis. Il a des répercussions désormais considérées comme capitales
pour le destin des cellules. Pour comprendre le fonctionnement des cellules, et plus largement
les régularités de lorganisme, les modèles mécanistes, réductionnistes et ultra-déterministes
du rôle des gènes ont progressivement laissé la place à une biologie probabiliste, où le hasard
et la sélection naturelle entrent au cœur même des cellules. Pour forcer le trait et mesurer
lampleur du changement de point de vue, on pourrait dire que « lADN fonctionne comme
un générateur aléatoire de protéines soumis à des contraintes sélectives imposées par son
environnement (Pour La Science n° 385, novembre 2009, p. 90). Les journaux français de
vulgarisation scientifique se feront lécho de cette nouvelle biologie et de ses conséquences (La
Recherche, Octobre 2009, Pour La Science, Novembre 2009, Pour La Science dossier spécial
Décembre 2013).
2. La sélection naturelle entre dans le corps
À quoi sert la sélection naturelle ? Nous avons appris à lécole quelle expliquait lévolution des
espèces. Quelle expliquait le changement. La variation dans les populations dêtres vivants
se fait dans toutes les directions, pas nécessairement selon les besoins futurs des individus
qui les subissent. Les individus ont donc des aptitudes différentes. Le nombre de descendants
quils auront, et donc celles des aptitudes héritables quils transmettront, dépendent des
conditions locales du milieu dans lequel ils sont. Si lon peut se permettre une métaphore,
« la variation propose, le milieu dispose ». Si le milieu change, à long terme, les populations,
et donc lespèce, vont changer. Certes, cela reste vrai aujourdhui, mais cest insuffisant.
Au vingtième siècle, nous avons oublié quà court terme la sélection naturelle peut être
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Thème 3 : le corps humain et la santé
Il y a une raison à cet oubli. Au vingtième siècle, Ernst Mayr, lun des principaux acteurs de la
théorie synthétique de lévolution, pratique ce quon appelle un « réalisme de lespèce ». Pour
lui, lespèce est conçue ici et maintenant, en gros comme des populations dans lesquelles et
entre lesquelles les gènes circulent. Lespèce est réelle. Pourtant, avec Simpson, lespèce est
conçue dans la profondeur du temps, et ce nest quà cette condition que peut apparaître son
caractère conventionnel, et non réel. Mais dans ce que va retenir la théorie synthétique de
lévolution, en gros entre 1937 et 1977, cest que les espèces existent dans le monde matériel.
Le rôle de la sélection naturelle va donc consister principalement à expliquer le changement
des espèces. Pourtant, si lon relit attentivement Charles Darwin, la sélection naturelle est
dabord une source de stabilisation. Elle ne sera une source de changements que si le milieu
change significativement. Il est remarquable de constater que le sous-titre du fameux livre
« LOrigine des espèces » ne comporte pas le mot « évolution », ni « transformation », ni «
transmutation ». Il comprend le mot « préservation » : « LOrigine des espèces par le moyen
de la sélection naturelle, ou la préservation des races favorisées au cours de la lutte pour
lexistence ». Pour résumer, pour Ernst Mayr, la sélection naturelle explique le changement
de espèces ; pour Darwin la sélection naturelle explique la préservation momentanée dune
moyenne des organismes, une ressemblance à laquelle nous donnons un nom despèce. Pour
Mayr, lespèce est réelle, pour Darwin elle est conventionnelle. Mayr se demande pourquoi et
comment ce qui est régulier (lespèce) change, Darwin se demande pourquoi ce qui change
tout le temps (les variations des individus) arrive encore à offrir à nos yeux une régularité (une
ressemblance). Cet oubli du XXème siècle aura des conséquences considérables. En effet, la
biologie aura besoin dun principe de changement pour expliquer lévolution des espèces, mais
dun principe de stabilité pour expliquer la régularité de la structure et du fonctionnement
du corps et de ses organes. Comme la sélection naturelle nest pas regardée comme un
principe de régularité, elle ne sera pas utilisée en médecine ni en physiologie, ni en biologie
moléculaire, ni en biochimie, aux échelles concernées. Ce principe de régularité résidera dans
une métaphore importée en biologie depuis la cybernétique, celle du programme génétique.
Dans le dernier tiers du XXème siècle, on enseignera encore à luniversité que toutes les cellules
dun corps ont le même « programme », et même la même « information génétique », la
différenciation cellulaire ne résultat que de lallumage différents de diverses parties de ce
même programme.
Aujourdhui, nous savons que cela est faux. Au sein dun même corps biologique, les cellules
subissent et enregistrent des variations génétiques. Ces cellules se divisent, et lors de la
mitose, transmettent ces variations. Nous sommes donc en face de cellules faisant état de
variabilité et dhéritabilité, et à partir de là, de cellules sélectionnables. Le couple variation-
sélection naturelle est massivement entré dans le corps comme source de régularités à la
charnière XXème-XXIème siècle. Depuis la démonstration faite au niveau moléculaire du caractère
aléatoire de lexpression génétique en 2002, la biologie daujourdhui est mûre pour reconnaître
que des phénomènes sélectifs à petit échelon sont source de stabilité, de régularités dans
lorganisme à plus grande échelle, là où lon mobilisait jadis la notion de « programme »,
devenue de moins en moins utile. Ces phénomènes ont commencé en immunologie, avant
de toucher les neurosciences, le développement embryonnaire, et la cancérologie. Les
bouleversements peuvent en être considérables. Lactualité nous démontre que lévolution, et
plus exactement la sélection naturelle, est utile à concevoir à tous les étages de la biologie.
Par exemple, deux articles récents montrent lactualité des deux piliers de la théorie
darwinienne de lévolution pour linterprétation des tumeurs cancéreuses. Ces deux
piliers sont le principe de sélection naturelle, dune part, et la filiation généalogique avec
modification, dautre part. Sagissant du premier pilier, Enriquez-Navas et al. consacrent les
thérapies darwiniennes contre le cancer qui font de la sélection une source de stabilité. Pour
comprendre de quoi il sagit, faisons un petit retour en arrière. Tout dabord, il faut savoir
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quune tumeur cancéreuse détient une variabilité génétique considérable, supérieure à toute
la diversité somatique partout ailleurs dans lorganisme. Jadis, nous pensions que pour
guérir un patient, il fallait éradiquer les cellules tumorales prolifératives. Doù les traitements
anti-cancéreux agressifs qui, à limage des abus dantibiotiques sur les populations de
bactéries, finissaient par sélectionner involontairement des quelques cellules prolifératives
résistantes au traitement (ce que les cancérologues appellent « competitive release »). Il sen
suivait parfois une bouffée de métastases qui tuait le patient. Le changement auquel nous
assistons nest pas que technologique, il est aussi dans nos idées : en réalité, les cellules sont
prolifératives par défaut. Cest un équilibre sélectif et un dialogue cellulaire qui canalisent,
régulent le potentiel prolifératif de chacune, exactement à limage de ce qui se passe avec
les espèces dans un écosystème. Ce quon croyait être la conséquence la prolifération-
nest quun état par défaut, et ce quon croyait être la cause la présence dune mutation «
driver » dans un gène- nest quune prédisposition susceptible dêtre canalisée, mais qui ne
lest pas en présence dune instabilité sélective ou dun déficit de dialogue. En cherchant à
éradiquer les cellules tumorales, on ne rétablit ni dialogue, ni équilibre sélectif. On sattaque
à la conséquence, pas à la cause. Enriquez-Navas et al. montrent que les thérapies chimiques
utilisant des raisonnements adaptatifs sont plus efficaces que les thérapies éliminatives. Les
doses de substances anticancéreuses utilisant le coût en fitness du phénotype résistant sont
fortes au début, puis aléatoires ensuite, pour maintenir une sélection naturelle modérée qui
engage la tumeur dans une stabilité de cohabitation entre phénotypes cellulaires, laquelle
requiert ensuite des doses décroissantes de substances. Ils montrent par là que les bonnes
thérapies ne devraient pas être fondées léradication mais sur une biologie évolutionniste.
Un autre article (Zhao et al.) sintéresse à lautre pilier, la filiation avec modification, en
montrant que lon peut reconstruire une phylogénie des cellules de la tumeur cancéreuse
avec reconstruction des mutations somatiques ancestrales et inférence des temps de
divergence entre lignées de cellules métastasiques. Lune des conclusions est que les
cellules métastasiques ne sont pas nécessairement tardives dans la tumeur, mais peuvent
apparaître dès le départ dans la tumeur primitive, et ceci avant même que le diagnostic ait eu
le temps dêtre dressé. La phylogénie permet de dresser lordre dapparition des mutations
signalétiques du cancer, permettant de développer des thérapeutiques anti-cancéreuses
spécifiquement tournées vers ces mutations « signalétiques» primitives, et pour cela rendues
plus efficaces. Les thérapies anti-cancéreuses vont être profondément revues, conséquence
de lintroduction de la sélection naturelle comme principe de compréhension des phénomènes
du corps.
3. Heritabilité étendue
Depuis une vingtaine dannées la biologie adopte une plus grande flexibilité concernant
lhéritabilité. Ce quune population transmet à la génération suivante nest plus quune affaire
d « information génétique » qui serait codée dans le fameux ADN. Tout ce qui varie et qui
se transmet est susceptible de subir, à léchelle de la population, les effets de la sélection
naturelle, et donc de concerner ce quon appelle lévolution. Certes, les gènes continuent
de transmettre ; seulement voilà ils ne sont plus les seuls. Une partie de ce que subit
lindividu laisse des marques chimiques sur cet ADN, des « étiquettes » qui conditionnent
la « lecture » des gènes. Ce sont les marques épigénétiques. Certes, une mère transmet
une partie de ses gènes à son enfant, cependant elle lui transmet aussi, après sa naissance,
sa flore du tube digestif. Et lon sait aujourdhui à quel point celle-ci est importante pour
la santé et le phénotype de lindividu. Il en va de même pour la flore cutanée. Par exemple,
une phylogénie des acariens de la flore cutanée résidente a été faite, elle correspond
parfaitement à la généalogie des familles. Cela signifie que la transmission est assez fidèle.
Cest la même chose pour les habitudes alimentaires qui, dans la population, ont tendance
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en retour à sélectionner certains gènes intervenant dans lassimilation de composantes de
la nourriture. Cela est vrai à dautres échelles dobservation : on sait aujourdhui que des
cellules somatiques (les cellules dun même corps) présentent entre elles de la variation
génétique. Comme ces cellules se divisent par mitoses, ces variations sont transmises, et
sont donc susceptibles de subir au sein même du corps des effets sélectifs. Ces constats
sont courants aujourdhui dans les neurosciences, en immunologie, en cancérologie par
exemple. Lhéritabilité dont nous parlons concerne donc aussi dautres niveaux danalyse des
phénomènes biologiques. Lévolution du XXIème siècle na plus les yeux rivés sur le seul ADN.
Cest, « à tous les étages » dun organisme que des caractéristiques sont susceptibles de
varier et de se transmettre. Le gène est désormais un partenaire, pas un notaire.
Remarquons pour finir que lon a coutume de dire que lépigénétique annonce le retour de
Lamarck. Cette idée courante est erronée à plusieurs titres. Premièrement parce quelle
repose sur lidée, en arrière-fond, que la différence entre Lamarck et Darwin résiderait
dans lhéritabilité des caractères acquis au cours de la vie individuelle, qui serait admise
par Lamarck et non par Darwin. Cest une erreur historique : Darwin ladmettait également
(il ne connaissait pas les mécanismes fins de lhérédité). Ce qui fait la différence entre ces
deux auteurs tient surtout à deux idées. Lamarck sintéresse à lorigine de la variation dans
les populations, Darwin la tient pour acquise et sintéresse surtout aux conséquences de la
variation. Pour Lamarck, la variation apparaît en fonction des besoins de celui qui la porte,
tandis que pour Darwin la variation apparaît au hasard, indépendamment de ces besoins.
Pour Lamarck, le changement accumulé dans un lignage individuel reflète le changement
de toute la population : il ny a pas de différence de niveau entre aptitude et adaptation. Chez
Darwin, ces deux niveaux sont découplés : les changements dun lignage individuel ne reflète
pas nécessairement la moyenne des changements stabilisés dans la population. Aptitude
(de lindividu) et adaptation (de lespèce) sont deux qualités distinctes qui correspondent à
deux échelles dobservation. Lépigénétique moderne est darwinienne : en effet, les marques
épigénétiques ne sont pas nécessairement bénéfiques aux individus qui les ont. Lhéritabilité
épigénétique des comportements et des effets du stress en est un exemple.
Enfin, et ce nest pas nouveau, lenvironnement intervient dans lexpression génétique,
manifestant chez les organismes ce quon appelle une plasticité. Par exemple, chez certaines
espèces de papillons, la couleur des ailes dépendra du degré dhumidité dans lenvironnement.
En retour, une bonne partie des organismes modifient leur environnement, ce qui fait que
ce qui reste stable, ou bien évolue, ce sont même parfois des boucles dinteractions. Le
gène dépend de ses protéines environnantes, il dépend de lenvironnement, il est donc un
partenaire, il nest plus conçu comme un « régisseur absolu », le détenteur dun programme.
La biologie du XXIème siècle est donc à même de reconnaître lévolution par sélection
naturelle (ou dérive) à tous les niveaux de lorganisation biologique où lon trouve de la
variation et de lhéritabilité de cette variation, et lon sait aujourdhui que ces phénomènes
ne concernent pas que les gènes. Cela ne bouleverse pas tant la théorie de lévolution, cela
bouleverse surtout la médecine et une certaine conception de la génétique (y compris la
génétique du développement embryonnaire) qui, dans la seconde moitié du XXème siècle,
furent trop centrées sur les gènes et le tout-ADN.
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Dès lors, il nexiste pas un mécanisme différent pour expliquer le développement
(lontogenèse) ou lapparition et le maintien (le programme) dun individu dune part, et
lapparition et la stabilité dune espèce dautre part (la phylogénèse). Cest la sélection
naturelle qui permet dexpliquer à la fois les stabilités relatives, et les changements lorsque
lenvironnement change, aux deux niveaux dobservation. Doù la proposition dun nouveau
mot, lontophylogenèse, pour redonner cohérence à la biologie.
Les conséquences de ces bouleversements, cest que la biologie du XXIème siècle est moins
centrée sur lADN et moins encline à parler de « programme génétique ». La métaphore est
tellement revisitée quelle sétiole et sestompe. Il sagit là de la fraction des chercheurs qui
réfléchissent sur la biologie. Dans le public, dans les programmes scolaires récents et pour
une majorité de chercheurs non biologistes, la biologie du XXème siècle, génocentrée, ADN-
centrée, excessivement réductionnisme et déterministe, reste dans les esprits. La notion de
gène reste importante, mais son statut et sa contribution sont au cœur des discussions. Si le
gène nest quun partenaire, alors la différence de statut entre « génotype » et « phénotype
» sestompe. La notion de « plan dorganisation » nest quune métaphore mnémotechnique
et utilitaire pour apprendre son anatomie comparée à luniversité, pas une inscription dans
la réalité biologique. On devrait lui préférer la métaphore utilitaire de « carte », laquelle
a dailleurs le mérite de la clarté. Au demeurant, la pensée phylogénétique à elle seule
est incompatible avec cette notion de « plan » (Lecointre, 2013). La notion d « information
génétique » est en débat, et lon pourrait même dire que si on voulait la conserver il faudrait
quelle soit redéfinie. Mais ce serait là lobjet dun autre article.
Guillaume Lecointre
BIBLIOGRAPHIE
Quelques articles de fond, surtout récents et par ordre chronologique, attestant ces change-
ments
Elowitz, M.B. et al. « Stochastic, Gene expression in a single cell » - Science 297 (5584) - pp.
1183-1186 - 16 août 2002.
Laland, K. et al. - « Does Evolutionary theory need a rethink? » - Nature 514 - pp. 161-164 - 9
octobre 2014.
Enriquez-Navas P.M. et al. « Science Translational » - Medicine 8 (327) - 24 février 2016.
Zhao et al. - PNAS 113 (8) - pp. 2140-2145 - 24 février 2016.
Kiberstis P.A. - Science 352 (6282) - pp. 163 - 8 avril 2016.
Turajlic S. & Swanton - Science 352 (6282) - pp. 169-175. - 8 avril 2016.
Willyard C. - Nature 532 - pp. 166-168. - 14 avril 2016.
Quelques livres et articles de vulgarisation pour aller plus loin
Dossier Pour La Science n°81 - « Lhérédité sans gènes » - Décembre 2013.
La Recherche - « Le hasard au cœur de la Vie » - n° 434 - octobre 2009.
Pour La Science « Hasard et incertitude » - n°385 - novembre 2009.
Capp, Jean-Pascal - Nouveaux regards sur les cellules souches - Editions Matériologiques -
2015.
Heams, Thomas, Huneman, Philippe, Lecointre, Guillaume et Silberstein, Marc. Les Mondes
darwiniens. Lévolution de lévolution. - Seconde Edition - Editions Matériologiques - Paris 2011.
Kupiec, Jean-Jacques, Olivier Gandrillon, Michel Morange et Marc Silberstein (éditeurs) Le
hasard au cœur de la cellule - Editions Matériologiques - Paris 2009.
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Lecointre, Guillaume Descendons-nous de Darwin ? - Le Pommier - 2015.
Lecointre, Guillaume « Mauvais plan ! »– Espèces - revue dhistoire naturelle - n°9 - pp. 58-59
- 2013.
Autres publications
Deutsch, Jean - Le gène. Un concept en évolution Seuil Paris - 2012
Gage, Fred et Muotri, Alysson « Des gènes sauteurs dans le cerveau » - Dossier Pour La
Science n°81 « Lhérédité sans gènes », pp. 18-23 - 2013.
Heams, Thomas. - « Biologie moléculaire : affronter la crise de la cinquantaine » -pp. 237-261
in Dubessy, Jean, Lecointre, Guillaume et Silberstein, Marc (éditeurs) - Les matérialismes (et
leurs détracteurs) Syllepse Paris 2004.
Heams, Thomas « Vers une théorie probabiliste du vivant » - Prisme n°12 - publié par le
Centre Cournot pour la recherche en économie Paris -2008.
Heams, Thomas « Expression stochastique des gènes et différenciation cellulaire » pp. 31-62
- in Kupiec, Jean-Jacques, Olivier Gandrillon, Michel Morange et Marc Silberstein (éditeurs) -
Le hasard au cœur de la cellule - Editions Matériologiques Paris - 2009.
Heams, Thomas « Existe-t-il un programme génétique ? » - pp. 131-146 in Kupiec, Jean-
Jacques - La vie, et alors ? Belin Paris - 2013.
Kupiec, Jean-Jacques - Lorigine des individus Fayard Paris - 2008.
Kupiec, Jean-Jacques Lontophylogenèse. Evolution des espèces et développement de lindividu.
- Collection Sciences en questions Quae Versailles - 2012.
Kupiec, Jean-Jacques - La vie, et alors ? Belin Paris - 2013.
Lewontin, Richard - La triple hélice. Les gènes, lorganisme, lenvironnement Seuil Paris -
2003.
Longo, Giuseppe, Miquel, Paul-Antoine, Sonnenshein, Carlos, Soto Ann. - « Is information a
proper observable for Biological organization ? » - Progress in Biophysics and Molecular Biology,
109 (3) pp. 108-114 - 2012.
Mayr, Ernst. - Principles of systematic zoology - McGraw-Hill - New York - 1969.
Mayr, Ernst. - Histoire de la biologie Fayard Paris - 1982.
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