L’Adaptation par Improvisation Naturelle

Un nouveau modèle mathématique démontre comment une « aptitude » peut apparaître au cours d’une vie.

D’après une nouvelle théorie, les deux géants Lamarck et Darwin font match nul. 
Illustration : Maya Shleifer

« Une sorte d’évolution a lieu en permanence dans nos corps, » dit le Professeur Yoav Soen du Département des Sciences Biomoléculaires de l’Institut Weizmann des Sciences. « Chaque cellule, comme chaque plante et animal, doit surmonter un assaut de disfonctionnements internes qui sont propres à chaque individu. La sélection naturelle ne peut pas expliquer de manière satisfaisante comment se produit ce type d’adaptation, car la sélection ne change pas les individus ; elle les sélectionne sur la base de mutations génétiques existantes.

Cette sélection s’applique bien à l’adaptation d’une population dans son ensemble, mais moins bien aux adaptations subies par chaque individu. » Afin d’expliquer comment les adaptations individuelles peuvent survenir, le Professeur Soen et les membres de son groupe, le Docteur Michael Elgart et le doctorant Maor Knafo, proposent un concept qu’ils ont appelé « improvisation adaptative » – une façon semi-aléatoire de garder un équilibre même quand des changements ont lieu.

Leur théorie d’improvisation adaptative prend en compte les adaptations qui ne sont pas nécessairement écrites dans le génome – ou ailleurs. Elles peuvent être par exemple acquises par de nouveaux changements dans le microbiote individuel ou par des modifications non génétiques dans la régulation des gènes. Beaucoup de ces changements sont imprévisibles, mais ils ne sont généralement pas mortels. Cette tendance à une variation non létale est un résultat évolutif à long-terme de la sélection naturelle, qui conserve uniquement les organismes dotés de mécanismes de régulation qui empêchent de façon sélective des modifications majeures des caractères critiques.

Le Professeur Soen explique que l’improvisation adaptative est un nouveau principe d’organisation qui permet à l’individu d’atteindre un nouvel équilibre – homéostasie – sous de nouvelles conditions.

Créer le modèle mathématique

L’évaluation théorique de cette idée nécessite une structure de modélisation permettant un examen rigoureux de la façon dont un organisme individuel ou une cellule peut faire face à de nouveaux problèmes simplement par l’exploration. Si un organisme doit explorer aléatoirement un nombre astronomique de changements potentiels, comment arrive-t-il à celui qui est adaptatif ? Cette question a été posée dans le cadre de la collaboration avec le Professeur Naama Brenner et le doctorant Hallel Schreier, un membre du groupe de Brenner au Technion.

Dans une récente publication dans Nature Communications, ils ont introduit une nouvelle structure mathématique qui fournit un support substantiel au concept d’improvisation.

Le modèle – exploration dans un réseau multi- dimensionnel – représente un unique individu (par exemple, une cellule unique) qui est sujet à un nouveau défi. Ce modèle est similaire à celui du réseau neuronal dans le cerveau, mais il est dépourvu d’un algorithme « d’apprentissage » qui permettrait de privilégier de futures directions de changement. En l’absence de directions privilégiées, la cellule doit arriver à une solution par une exploration purement aléatoire de ses possibilités. Afin de simuler ce processus, les scientifiques ont soumis la cellule modèle à une demande arbitraire qui n’est pas acceptée par la configuration initiale de la cellule. Des changements aléatoires dans cette cellule (par exemple dans la façon dont ses gènes sont utilisés) peuvent-ils aboutir à une fonction nouvelle ou modifiée qui répond à la demande ?

Des simulations réussies, davantage d’applications

(de gauche à droite) Hallel Schreier, le Professeur Naama Brenner et le Professeur Yoav Soan montrent comment des individus peuvent faire face à des défis inattendus

Les simulations de ce nouveau modèle démontrent en effet la faisabilité d’une adaptation par une improvisation aléatoire chez les « individus » et dévoilent la clef des conditions sous-jacentes de ce processus. Les simulations révèlent en particulier que l’adaptation nécessite un petit nombre de hubs – nœuds du réseau qui peuvent influencer un grand nombre d’autres nœuds du réseau. On constate de plus, que quand ces hubs se régulent eux-mêmes, la capacité d’adaptation augmente. Le Professeur Soen souligne que le réseau régulateur de gènes intracellulaire semble construit pour fonctionner dans ce sens : les facteurs de transcription qui se lient à de nombreuses régions dans le génome, souvent en réponse à des signaux variés, en sont un excellent exemple. Ce modèle peut ainsi fournir un cadre pour une nouvelle compréhension des processus adaptatifs des cellules.

Bien que les simulations décrites dans cette étude soient utilisées pour représenter l’adaptation dans des cellules uniques, le modèle est aussi applicable au processus d’adaptation au cours de la vie de plantes, d’animaux ou d’autres types d’organisations complexes. Chez les humains par exemple, les changements induits par le stress peuvent affecter le microbiome individuel. Ces changements dans la population bactérienne affectent l’état de l’hôte individuel. Ces changements peuvent parfois être désagréables mais sont en général non mortels. Enfin, hôte humain et bactérie convergent tous deux vers un nouvel état d’homéostasie.

La sélection Darwinienne et l’adaptation Lamarckienne par improvisation se révèlent entièrement compatibles

Le Professeur Soen remarque que certains de ces changements nouvellement acquis – ceux dans le microbiome de l’intestin par exemple – peuvent être transmis à la génération suivante. Cette transmission est en accord avec les théories de Jean-Baptiste Lamarck qui suggérait que les individus peuvent s’adapter aux changements environnementaux et transmettre ces adaptations à leur descendance. Pendant de nombreuses années, le point de vue de Lamarck a été considéré comme impossible et a été remplacé par le concept de sélection darwinienne de mutations existantes, mais les chercheurs ont récemment commencé à reconsidérer la possibilité lamarckienne d’hériter des caractères induits par l’environnement. « La sélection darwinienne et l’adaptation lamarckienne par improvisation se révèlent entièrement compatibles, » dit le Professeur Soen. « Les populations s’adaptent par le biais de la sélection naturelle, tandis que les individus le font via l’improvisation naturelle. L’étendue de l’improvisation est définie par le type et la force du stress, sans la nécessité d’un « calcul » ou d’une « prise de décision ». »

« Les concepts de sélection naturelle et d’improvisation adaptative peuvent être d’avantage unifiés en considérant une espèce unique comme une multigénération, un « méta-individu ». Le contenu génétique de ce méta-individu change au fil du temps par la sélection de mutations qui apparaissent chez les individus. Les changements qui réduisent la force de la sélection peuvent être préférentiellement propagés dans la population, augmentant l’adaptation de l’espèce dans son ensemble.

En d’autres termes, le processus d’adaptation génétique est gouverné par les changements qui soulagent le « stress génétique ». La sélection continue de mutations émergentes peut ainsi être considérée comme un exemple spécifique d’adaptation par improvisation, qui agit au fil du temps à l’échelle des espèces. L’improvisation adaptative peut donc constituer un principe unifié d’adaptation qui couvre tous les niveaux et échelles temporelles de l’organisation. »

Les recherches du Professeur Yoav Soen sont financées par le Fond Benoziyo pour l’Avancée de la Science, la Fondation pour la Recherche en Neurosciences du Docteur Pearl H. Levine, l’Association caritative Leona M. et Harry B. Helmsley ; et le Docteur Karen Mashkin (Boca Raton, Floride).