Lynn Margulis : Naissance de la naissance


11 Oct 2011

(Revue CoÉvolution. No 12. Printemps 1983)

La reproduction sexuée et bien plus tard la naissance sont parmi les « inventions » les plus importantes de la vie sur Terre. Que nous en soyons conscients ou non, toutes nos cellules ont hérité des circonstances qui ont favorisé ces innovations qui se sont développées comme mécanismes d’adaptation à l’environnement. C’est dans cette perspective écologique que Lynn Margulis, professeur de microbiologie à l’Université de Boston et co-auteur de l’hypothèse Gaïa nous présente leur évolution.

— G.B. —

La naissance est une curiosité récente dans l’histoire de l’évolution de la vie. Si on la définit par rapport à ce qui se passe chez les mammifères, par le fait que la progéniture d’un animal émerge du corps de son parent femelle après avoir séjourné quelques semaines ou quelques mois dans l’utérus de celle-ci, c’est un processus en fait extrêmement rare, dont les origines remontent à l’apparition des mammifères eux-mêmes, il y a environ deux cents millions d’années.

A quelques exceptions près, la naissance n’existe pas chez les autres membres de notre propre phylum biologique : les poissons, les reptiles, les oiseaux, et les amphibiens. En effet, la plupart des animaux, vertébrés ou invertébrés, sortent d’un œuf pondu par la femelle et le terme de naissance ne s’applique pas véritablement pour eux. La naissance n’existe pas non plus dans les autres règnes, chez les plantes, les champignons, les protistes et les monères. Les bactéries se reproduisent par division directe tandis que les champignons se développent à partir de spores portées par des organismes mâles, femelles ou neutres indifféremment.

Parce que nous sommes des mammifères, des animaux pour qui sexualité et reproduction sont inextricablement liées, nous avons tendance à négliger le fait que, biologiquement, ce sont des processus tout à fait différents. Bien que la naissance — qui représente l’aboutissement actuel de l’évolution de la reproduction sexuée — soit très récente à l’échelle de l’évolution, la sexualité est très ancienne. Définie comme la formation d’un descendant à partir de plus d’un parent, celle-ci a précédé la naissance d’au moins un milliard d’années. La reproduction sexuée permet de recombiner dans un individu ou une cellule unique des gènes provenant de parents différents. Cette définition englobe la reproduction des souris, des chiens et des humains, mais elle s’applique aussi à des organismes beaucoup plus petits et dotés d’une morphologie plus simple. La copulation, intérêt humain permanent qui tourne parfois à l’obsession et à la perversion, n’est en fin de compte rien moins qu’une extension des activités de microbes cannibales vivant il y a déjà plus d’un milliard d’années. Il est fascinant de retrouver toute l’étendue des passions humaines, de l’amour à la jalousie, en germe dans les mécanismes de défense des bactéries et des protistes face aux dangers et aux menaces de famine.

La sexualité des bactéries

Les organismes sexués les plus simples sont déjà tout à fait complexes, et on peut donc penser que les toutes premières formes de vie ont dû être strictement asexuées. Des bactéries en train de se diviser ont été découvertes dans des fossiles vieux de 3 1/2 milliards d’années. Mais même les premières bactéries développèrent des techniques d’échanges de gênes, peut-être pas sexuées au sens habituel. On peut cependant parler de sexualité dans la mesure où la constitution génétique du nouvel organisme, distincte de celle du parent, a été obtenue par recombinaison naturelle de gènes, bien que ce processus soit bien éloigné de l’assemblage méthodique et impératif de gènes du mâle et de la femelle qui se produit à chaque génération d’oiseaux ou d’humains.

Conjugaison entre un donneur (« mâle » à gauche) et un receveur (à droite) chez la bactérie de l’intestin Escherichia coli.

Photo T. F. Anderson, Institute for Cancer Research, Philadelphia.

Chez les bactéries, le don de gènes est libre et fluide. Une bactérie peut passer 85 % de ses gènes à un partenaire réceptif, alors qu’une autre n’en donnera que 75 %. Les gènes ne sont transférés que dans un seul sens. Cependant, les cellules-parents ne fusionnent jamais comme dans les versions ultérieures de l’acte sexuel. La présence de deux parents n’est même pas nécessaire : l’ADN de n’importe quel virus ou micro-organisme peut s’introduire à l’intérieur de la membrane d’une bactérie unique. Ceci est inutile dans des conditions normales, mais en cas de famine ou en présence de substances toxiques, cet apport génétique peut signifier la différence entre la vie et la mort.

Si les échanges de gènes entre bactéries obéissent à si peu de règles, c’est à cause de leur taille minuscule. Le déploiement convenable du matériel génétique dans les cellules-filles est un problème qui ne se pose qu’aux eucaryotes, c’est-à-dire aux organismes ayant des cellules dotées d’un noyau. Presque toutes les cellules eucaryotiques, celles des animaux, des champignons et des plantes, possèdent en moyenne 1000 fois plus de matériel génétique que les cellules procaryotiques qui n’ont pas de noyau. La sexualité des bactéries s’est probablement développée pour réparer les dommages causés par les rayons ultraviolets et les substances chimiques mutagènes. Durant la période géologique appelée archéen, entre 3,5 et 2,8 milliards avant nous, la couche d’ozone atmosphérique qui bloque la plus grande partie du rayonnement ultraviolet n’était pas encore formée et un très grand nombre de bactéries devaient mourir par perte de l’information génétique contenue aux endroits où les rayons UV avaient endommagé leur ADN. En réchappaient celles qui avaient pu se diviser en s’abritant sous leurs infortunées congénères ou en se protégeant de l’ardeur du soleil dans l’eau ou la boue. Certaines d’entre elles reçurent du ciel une manne microscopique providentielle sous forme de virus qui leur apportèrent des gènes nouveaux.

Certains virus sont en effet couramment mêlés aux activités sexuelles des bactéries. Incapables de se reproduire eux-mêmes, les virus — particules d’acide nucléique enrobé de protéines — ne sont pas réellement vivants. Ce sont plutôt des « recettes » génétiques qui peuvent jouer un rôle lorsqu’ils sont introduits dans des cellules hôtes convenables. Les virus mélangent et appareillent les gènes entre eux, dévoilent des secrets et livrent des informations génétiques qui ont été testées ailleurs. Par exemple, quand un virus porteur d’un gène de résistance à la pénicilline transfère son « secret d’état » à la bactérie gonocoque, il est accueilli avec joie. Le gonocoque responsable de la gonorrhée, maladie vénérienne, et infecté par ce virus se porte 100 % mieux que sa congénère qui en est dépourvue, parce que le gonocoque normal sensible à la pénicilline ne peut absolument pas se reproduire dans un sang contenant cet antibiotique. Le descendant de la bactérie responsable de la maladie n’est pas simplement le produit asexué d’un parent unique, mais le résultat synergétique de deux sources de matériel génétique, viral et bactérien. Grâce à cette union sexuelle fructueuse, la bactérie s’est adaptée à son environnement malgré les effets de la médecine humaine. Les virus incarnent ainsi par procuration le principe de la reproduction sexuée.

L’origine de la sexualité chez les organismes eucaryotiques

Sautons une grande partie de l’histoire de l’évolution et plaçons-nous il y a environ un milliard d’années chez les populations de protistes (eucaryotes unicellulaires) possédant un nombre de chromosomes peu élevé. Deux inventions fondamentales avaient déjà eu lieu. La première était celle de la cellule eucaryotique elle-même, probablement issue des activités de plus en plus symbiotiques de différents types de bactéries. La seconde invention était celle de la mitose, le procédé de division du noyau des cellules, eucaryotiques : une cellule-mère se divise en deux cellules-filles ; le jeu de chromosomes est doublé et chaque nouveau jeu va dans une des deux cellules, pour obtenir à la fin deux nouvelles cellules, chacune identique à la mère. Le mécanisme de la mitose confère un grand avantage biologique en permettant de distribuer également de grandes quantités d’ADN dans les cellules-filles.

Il ne fait pratiquement aucun doute que la division sexuée est issue de la division asexuée. D’abord tous les organismes eucaryotiques qui se reproduisent sexuellement, depuis les algues unicellulaires jusqu’aux bananiers, grandissent par mitose. Un oiseau, une abeille, un être humain, une mousse ou un ginkgo produisent tous des œufs et des spermatozoïdes par une division cellulaire spéciale appelée méiose, qui réduit le nombre de chromosomes de moitié. Dans chaque cas, quand les cellules sexuelles fusionnent pour former un œuf fertilisé appelé zygote, qui retrouve le nombre original de chromosomes caractéristique de l’espèce, un embryon se développe. Celui-ci, qu’il soit un œuf d’autruche ou de rotifère, grandit et maintient sa forme par division cellulaire mitotique. La méiose, elle, ne se produit que dans la fabrication des cellules sexuelles elles-mêmes. Cette division par deux du nombre de chromosomes doit être suivie par la fertilisation qui rétablit le bon nombre de chromosomes. Chez la femme les ovules sont produits par division méiotique de certaines cellules durant le développement du fœtus. Chez l’homme, la méiose se produit en permanence dans les testicules de l’adulte. De sorte que le nombre normal de chromosomes, 46, se trouve réduit à 23 dans n’importe quel ovule ou spermatozoïde. Mais chez tous les organismes, qui se reproduisent par méiose — réduction du nombre de chromosomes, puis rétablissement par fertilisation — les tissus et les organes grandissent par mitose. Il semble donc que celle-ci, presque omniprésente chez les eucaryotes, soit un legs des temps anciens, où elle était la seule forme de reproduction, et donc un précurseur de la sexualité méiotique.

Développement de l’embryon chez différents vertébrés à partir d’un spermatozoïde et d’un ovule (en haut) – Dessin Dorion Sagan.

On peut d’autre part facilement envisager les étapes de l’évolution de la division asexuée (mitose) à la division sexuée (méiose). Les eucaryotes unicellulaires asexués actuels montrent des formes embryonnaires de sexualité, échange de noyaux, existence d’ovules ou de spermatozoïdes indépendants, etc…

Cannibalisme

La principale astuce de l’évolution de la reproduction sexuée chez les ancêtres des organismes méiotiques actuels fut le doublement des chromosomes. La méthode la plus évidente pour qu’un protiste se divisant de manière asexuée y parvienne, c’est le cannibalisme. Oui, le cannibalisme ! Quand des organismes affamés s’entassent les uns sur les autres, les circonstances leur offrent souvent le dilemme existentiel de mourir de faim ou de manger son semblable. Le cannibalisme n’est pas seulement le lot des marins naufragés et des alpinistes égarés. Il se produit aussi chez des populations de microbes qui ont épuisé leurs réserves nutritionnelles. Ceux qui optent pour ce choix cruel survivent. La fusion cannibale n’est pas rare. La formation d’un couple, un organisme unicellulaire double, possédant 2 jeux de chromosomes et d’autres éléments entourés d’une seule membrane est le premier pas sur le chemin de la reproduction sexuée méiotique, une route très fréquentée qui apparut fréquemment sur la carte de l’évolution.

La méiose chez une cellule possédant 4 paires de chromosomes. La première division (5 et 6) donne 2 cellules ayant chacune la moitié des chromosomes de la cellule originale. La seconde division (8 et 9) est semblable à la mitose.

Cependant il arrive souvent qu’un microbe qui essaie d’absorber un congénère n’arrive pas à digérer ce qu’il a engouffré. L’ingestion peut alors être suivie d’une indigestion puis d’une coexistence plutôt pacifique. Si les noyaux et les membranes de l’organisme ainsi doublé s’adaptent, un nouveau microbe possédant deux fois plus de chromosomes apparait. L’état cellulaire de cet hypothétique cannibale serait alors double (on dit diploïde), comme celui des cellules du corps de la plupart des plantes et des animaux (mais pas les champignons). Les seules cellules de ces organismes qui ne sont pas doubles (on les qualifie d’haploïdes) sont leurs cellules sexuelles, ovules, spermatozoïdes ou spores, qui n’ont qu’un seul jeu de chromosomes. Les cellules du corps des champignons, des mousses et de certaines algues sont simples (haploïdes) jusqu’au moment du contact sexuel et elles le redeviennent immédiatement après l’acte sexuel.

Il y a quelques 2 à 3 milliards d’années la faim poussa des protistes aux premières relations cannibales quasi-copulatoires. Beaucoup d’événements ont eu lieu depuis, mais beaucoup de choses sont restées les mêmes. Aujourd’hui encore (Freud l’a bien montré et les médias l’attestent tous les jours) le danger reste un grand aphrodisiaque. On peut se demander si la mince lisière qui sépare l’amour de la haine ne remonte pas à l’époque où les pressions de l’environnement ont précipité la sexualité comme moyen d’éviter un désastre individuel. Les aspects romantiques que certains trouvent à la guerre ne seraient-ils pas aussi reliés à des épisodes de l’évolution qui eurent une importance capitale dans le développement des espèces animales asexuées ?

Ainsi l’acte primordial de fertilisation serait issu de l’indigestion qui aurait suivi un acte de cannibalisme avorté. Mais pour que l’évolution de la sexualité puisse se poursuivre, il fallut qu’après leur fusion les partenaires divisent par deux le nombre des chromosomes et que ce processus de cannibalisme — fusion des noyaux — réduction du nombre de chromosomes commence à se produire par habitude. Autrement dit, la fertilisation dut être suivie à chaque génération par la réduction du nombre de chromosomes, d’une manière ou d’une autre. Cet investissement était biologiquement risqué : s’il ne payait pas immédiatement, il était rapidement écarté. De tous les cas de répartition possibles des chromosomes, seule l’égalité ne conduisait pas à un cul-de-sac et assurait des descendants qui pouvaient eux-mêmes expérimenter cette méthode de reproduction non conventionnelle et tirée par les cheveux… Mais petit à petit les organismes sexués s’adaptèrent plus facilement aux changements de l’environnement et modifièrent cet environnement lui-même, conquérant de plus en plus d’habitats.

La naissance des sexes

Au début de l’apparition de la sexualité, les partenaires eucaryotiques avaient pratiquement la même apparence, comme c’est toujours le cas aujourd’hui chez de nombreux protistes. C’est par la suite que se sont différenciés des types de partenaires, ou des genres. La seule règle qui définit le genre est qu’aucun organisme ne s’accouple fructueusement et n’a de descendant vivant avec d’autres du même genre. Bien que « mâle » et « femelle » soient nos modèles habituels de genres, ceux-ci sont en général beaucoup moins figés. Chez le protiste Paramecium multinucleatum, par exemple, ils peuvent changer selon l’heure de la journée et l’éclairage.

Les protistes qui vivent dans les intestins des termites fusionnent occasionnellement leurs noyaux. La plupart de ces actes de fusion provoquent la mort des deux partenaires. Lorsque ce n’est pas le cas, on a un exemple de fertilisation issue d’un acte de cannibalisme, qui fut observé dans les années 40 et 50 par L. R. Cleveland à l’Université d’Harvard.

Au fur et à mesure de l’augmentation de la durée de vie et de la complexité des organismes, la tendance au dimorphisme sexuel, la différenciation entre les genres, s’accentua. Beaucoup d’organismes eucaryotiques peuvent fabriquer deux sortes ou plus de cellules sexuelles (ou gamètes). Avec le temps de nombreux organismes ne purent en fabriquer plus qu’une seule sorte, mâle ou femelle. Les cellules sexuelles mâles, ainsi nommées à cause de leur propension à se déplacer d’elles-mêmes, devinrent plus petites, plus mobiles et plus nombreuses. Les cellules femelles devinrent de plus en plus grandes et immobiles. La tendance à l’isogamie — l’identité d’apparence des cellules sexuelles — fut contrecarrée par la tendance à la différentiation qui apparut chez les algues vertes, les ciliés et même les algues rouges chez qui les cellules « mâles » plus petites ne peuvent pas se déplacer. Alors que deux gamètes identiques doivent nager l’un vers l’autre à tâtons pour se rencontrer, l’innovation de maintenir fixe un gamète et de laisser les autres venir à lui facilita la coordination vers la fusion. Par définition le « mâle » sera l’organisme qui est lui-même mobile ou qui produit des gamètes mobiles, habituellement à profusion, alors que la « femelle » est celui qui se tient immobile ou qui produit des gamètes immobiles. Soulagée de la nécessité de chercher des cellules sexuelles du genre opposé, la femelle, dans de nombreuses espèces, fut libérée pour consacrer son temps à la fabrication de gamètes moins nombreux et de qualité supérieure. Chez certains organismes, le dimorphisme a atteint un tel stade qu’il est difficile de croire que le mâle et la femelle appartiennent à la même espèce.

Un épiphénomène universel ?

Cependant la sexualité méiotique, que nous avons associée aux émotions de jalousie et de haine, d’extase et d’anxiété, est à peine une nécessité biologique. Elle est souvent gratuite. Dans un environnement sans surprise la reproduction asexuée est plus rapide et plus sûre. C’est bien ce que nous faisons avec les plantes et les arbres domestiques que nous greffons ou bouturons. Les insectes sociaux, eux aussi, ont sacrifié la capacité de reproduction individuelle chez un grand nombre de membres de leurs sociétés laborieuses. Les termites incapables de se reproduire eux-mêmes nourrissent et protègent leur reine qui s’unit rieuses. Les termites incapables de se reproduire eux-mêmes nourrissent et protègent leur reine qui s’unit aux mâles et met au monde encore plus de soldats et de travailleurs stériles. Manifestement dans ces sociétés l’individu n’est sélectionné que comme partie de la collectivité. Aldous Huxley, dans Le meilleur des mondes, a imaginé une situation semblable pour l’humanité, dans laquelle l’état a usurpé le contrôle de la reproduction. Nous sommes peut-être en train d’assister aux, débuts furtifs d’une telle situation, non pas par des lois dégradantes légiférant la liberté de reproduction, mais par le biais des impôts qui déterminent de plus en plus qui peut et qui ne peut pas avoir de descendants.

Le protiste Stentor coeruleus s’adonne occasionnellement à la conjugaison, ou essaie de le faire. Mais les partenaires mourront dans les quatre jours suivants. Puisque la sexualité conduit toujours à un avortement spontané dans cette espèce, c’est une voie sans issue. Autrefois utile, la méiose a survécu à son inutilité présente chez cet organisme. Bien que l’acte sexuel soit mortel chez ce protiste peut-être donne-t-il à ces créatures une brève étincelle de jouissance atavique ?

En dernière analyse, enfin, la sexualité méiotique est un épiphénomène. Le phénomène lui-même, c’est le mélange et l’assortiment de l’ADN provenant de sources différentes dans la biosphère pour créer de nouveaux organismes. La sexualité n’est ni le flirt, ni la copulation, ni l’insémination, ni la promiscuité, ni les décolletés provocants, ni la voix grave ou les règles prématurées, ni le viol ou la violence. C’est un ensemble de stratégies très anciennes pour affronter le danger et l’insécurité résultant de la perte de l’information génétique, un legs du raccommodage de l’ADN chez les bactéries. En dehors de cette histoire commune, les variations d’une espèce à l’autre et d’un individu à l’autre sont bien plus nombreuses que les similitudes.

En 1916, dans un texte métaphorique sur l’origine de la terre et du soleil, l’astronome T. C. Chamberlain affirma que « le système solaire a certainement dû avoir deux parents ». Ce n’est sans doute plus notre avis aujourd’hui, mais cet effort de décrire la cosmogonie en termes biologiques montre à quel point la sexualité est inscrite en nous, que nous l’imaginons être une propriété de l’univers.

Traduit par Gérard Blanc