Les herbivores qui sillonnent la savane africaine sont énormes et mangent beaucoup. Pourtant, ils parviennent tous à vivre à peu près au même endroit, soutenus par le même environnement à la végétation clairsemée. En 2013, les écologistes ont voulu savoir exactement comment cela fonctionnait. Cependant, comme les éléphants, les zèbres, les buffles et les impalas parcourent de nombreux kilomètres à nourrir et qu'ils n'aiment pas les humains curieux qui les regardent manger, il était presque impossible de déterminer leur régime alimentaire.
Les chercheurs ont été laissés, comme ils le sont si souvent, à scruter le caca. Mais les plantes digérées étaient impossibles à identifier par les yeux humains seuls. Donc, pour ce puzzle, ils se sont tournés vers ce qui était une technique génétique relativement nouvelle: le codage à barres ADN.
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Les écologistes ont prélevé des échantillons au laboratoire et ont examiné l'ADN des restes végétaux, à la recherche d'un gène spécifique appelé cytochrome c oxydase I. En raison de son emplacement dans la mitochondrie de la cellule, le gène, appelé COI, a un taux de mutation approximatif. trois fois plus que d'autres formes d'ADN. Cela signifie qu'il montrera plus distinctement les différences génétiques entre des organismes même très proches, ce qui en fait un moyen utile de séparer des espèces en groupes, des oiseaux aux papillons, comme l'étiquette située à l'intérieur de votre chemise ou un code à barres d'épicerie.
Pour cette méthode ingénieuse, à juste titre appelée code à barres ADN, nous pouvons remercier un généticien qui en a eu marre des méthodes «stressantes» et fastidieuses de la taxonomie traditionnelle. Paul Hebert, biologiste moléculaire à l'Université de Guelph au Canada, se souvient d'une nuit humide et nuageuse qu'il a passée à collecter des insectes sur une feuille en tant que chercheur postdoctoral en Nouvelle-Guinée.
«Lorsque nous les avons triés morphologiquement le lendemain, nous avons réalisé qu’il y avait des milliers d’espèces entrées», explique Hebert. Beaucoup, à ce qu'il puisse en dire, n'avaient jamais été décrits par la science. «Je me suis rendu compte ce soir-là que j'avais rencontré suffisamment de spécimens pour me garder occupé toute ma vie», dit-il.
Hebert poursuit: «C’est à ce moment-là que je me suis rendu compte que la taxonomie morphologique ne pouvait pas être un moyen d’enregistrer la vie sur notre planète." Il donna ses collections de spécimens et passa à d’autres recherches sur la biologie de l’évolution arctique - Ses «habitats les plus divers en termes de diversité d’espèces», a-t-il déclaré, mais la mesure de la biodiversité de la Terre a toujours été une question de fond.
La technologie a continué de progresser au milieu des années 90, permettant aux chercheurs d’isoler et d’analyser des fragments d’ADN de plus en plus petits. Hebert, qui travaillait en Australie en tant que chercheur invité, a décidé de commencer à «jouer» en séquençant l'ADN de différents organismes et en recherchant une séquence unique pouvant être facilement isolée et utilisée pour distinguer rapidement les espèces. «J'ai choisi cette région du gène mitochondrial comme étant efficace dans de nombreux cas», dit-il. C'était COI.
Hébert a décidé de tester sa méthode dans son propre jardin, en collectant de nombreux insectes et en les codant avec un code-barres. Il a découvert qu'il pouvait facilement distinguer les insectes. "Je me suis dit 'Hé, si ça marche sur 200 espèces dans mon jardin, pourquoi ça ne marche pas sur la planète?"
Et, à quelques exceptions près, il l'a fait.
En utilisant cette technique, les chercheurs de l'étude sur la savane de 2013 ont été en mesure de reconstituer les régimes alimentaires variés de ces animaux coexistants. "Nous pouvions dire tout ce que les animaux mangeaient avec le code-barres de leurs fragments", explique W. John Kress, conservateur en botanique au Muséum national d'histoire naturelle du Smithsonian, qui a collaboré à l'étude. En informant les gestionnaires de la faune et les scientifiques et les scientifiques de la nature exacte de l'herbe que nourrit chaque animal, ces résultats «pourraient avoir un impact direct sur la conception de nouvelles zones de conservation pour ces animaux», déclare Kress.
Cela a également donné aux écologistes un aperçu plus complet de la manière dont l'ensemble de l'écosystème fonctionne. "Maintenant, vous pouvez voir comment ces espèces coexistent dans la savane", a déclaré Kress. Aujourd'hui, l'idée même de ce qui constitue une espèce est en train de changer, grâce aux codes à barres de l'ADN et à d'autres techniques génétiques.
Cela peut ne pas sembler beaucoup, du point de vue de la verdure. Mais d'une manière ou d'une autre, la savane africaine supporte une variété d'herbivores emblématiques. Les codes à barres ADN aident à montrer comment. (Cultura RM / Alamy) Depuis l'époque de Darwin, les taxonomistes ont trié les espèces en fonction de leurs observations. C'est-à-dire que s'il ressemble à un canard, marche comme un canard et sonne comme un canard, jetez-le dans la pile de canards. L'avènement du séquençage de l'ADN dans les années 1980 a changé la donne. Maintenant, en lisant le code génétique qui fait de l'organisme ce qu'il est, les scientifiques pourraient obtenir de nouvelles informations sur l'histoire évolutive des espèces. Cependant, comparer les millions, voire les milliards de paires de bases composant le génome peut être une proposition coûteuse et longue.
Avec un marqueur comme la cytochrome c oxydase I, vous pouvez identifier ces distinctions plus rapidement et plus efficacement. Le codage à barres peut vous dire en quelques heures - c'est-à-dire le temps nécessaire pour séquencer un code à barres d'ADN dans un laboratoire de biologie moléculaire bien équipé - que deux espèces qui se ressemblent exactement à la surface sont très différentes sur le plan génétique. L'année dernière, des scientifiques chiliens ont utilisé des codes à barres ADN pour identifier une nouvelle espèce d'abeille que les chercheurs sur les insectes avaient manquée depuis 160 ans.
En travaillant avec Hébert, des experts comme le conservateur d'entomologie du Musée national d'histoire naturelle, John Burns, ont été capables de distinguer de nombreux organismes que l'on croyait autrefois être la même espèce. Les progrès de la technique permettent maintenant aux chercheurs de coder les spécimens de musées des années 1800 dans des codes à barres, indique Burns, ouvrant ainsi la possibilité de reclassifier les définitions d'espèces établies depuis longtemps. Un an après que Hebert eut décrit le code-barres de l’ADN, Burns l’utilisa lui-même pour identifier un cas de ce type: une espèce de papillon identifiée dans les années 1700 qui se révéla être en réalité 10 espèces distinctes.
Épingler des définitions d'espèces obscures a des ramifications en dehors du monde universitaire. Cela peut donner aux scientifiques et aux législateurs une meilleure idée du nombre et de la santé d'une espèce, informations cruciales pour sa protection, déclare Craig Hilton-Taylor, responsable de la "Liste rouge" de l'Union internationale pour la conservation de la nature. Bien que l'organisation s'appuie sur différents groupes d'experts pouvant travailler selon différentes perspectives sur la meilleure définition d'une espèce, les codes à barres de l'ADN ont aidé nombre de ces groupes à établir une distinction plus précise entre différentes espèces.
"Nous leur demandons de réfléchir à toutes les nouvelles preuves génétiques qui sont présentées maintenant", a déclaré Hilton-Taylor au sujet des procédures de l'UICN à ce jour.
Bien qu’innovante, la technique originale de codage à barres avait ses limites. Par exemple, cela ne fonctionnait que sur les animaux, pas sur les plantes car le gène COI ne mutait pas assez rapidement chez les plantes. En 2007, Kress a contribué à élargir la technique de Hebert en identifiant d'autres gènes qui mutent de manière similaire rapidement chez les plantes, permettant ainsi à des études comme celle de la savane de se dérouler.
Kress se souvient comment, à partir de 2008, Carlos García-Robledo, écologiste à l'Université du Connecticut, avait utilisé le codage à barres ADN pour comparer les différentes plantes que différentes espèces d'insectes se nourrissaient dans la forêt tropicale humide du Costa Rica. Ils ont pu collecter des insectes, les broyer et séquencer rapidement l'ADN de leurs entrailles pour déterminer ce qu'ils mangeaient.
Auparavant, García-Robledo et d’autres scientifiques auraient dû suivre péniblement les insectes et consigner leur régime alimentaire. «Cela peut prendre des années pour qu'un chercheur comprenne parfaitement le régime alimentaire d'une communauté d'insectes herbivores dans une forêt tropicale humide sans l'aide de codes à barres ADN», a déclaré Garcá-Robledo à Smithsonian Insider lors d'un entretien en 2013.
Depuis, ils ont pu approfondir leurs recherches en examinant les différences entre le nombre d'espèces et leur régime alimentaire à différentes altitudes, ainsi que l'impact possible de la hausse des températures due au changement climatique, les espèces étant obligées de se déplacer de plus en plus haut. "Nous avons développé un réseau complet et complexe d'interactions entre les insectes et les plantes, ce qui était impossible auparavant", a déclaré Kress.
"Soudainement, d'une manière beaucoup plus simple, en utilisant l'ADN, nous pourrions suivre, quantifier et répéter ces expériences et comprendre ces choses de manière beaucoup plus détaillée", ajoute-t-il. Kress et d'autres chercheurs utilisent également le code à barres pour analyser des échantillons de sol pour les communautés d'organismes qui les habitent, dit-il. Les codes à barres sont également prometteurs pour aider à identifier les restes de matériel génétique trouvé dans l'environnement.
"Pour les écologistes", explique Kress, "le codage à barres ADN ouvre vraiment une toute nouvelle façon de suivre des objets dans des habitats où nous ne pouvions pas les suivre auparavant."
En autorisant les scientifiques à examiner un gène spécifique au lieu de séquencer des génomes entiers et de les comparer, Hebert espérait que sa méthode permettrait une analyse et une identification génétiques beaucoup plus rapides et moins coûteuses que le séquençage complet. "Les 14 dernières années ont montré que cela fonctionnait beaucoup plus efficacement et que sa mise en œuvre était beaucoup plus simple que prévu", dit-il maintenant.
Mais il voit encore une marge de progression. "Nous sommes vraiment aux prises avec des données inadéquates en termes d'abondance et de répartition des espèces", explique Hebert à propos des écologistes. Selon M. Hebert, l'amélioration rapide de la technologie permettant d'analyser des échantillons d'ADN plus rapidement et avec moins de matériel, associée à un code à barres ADN, offre un moyen de sortir avec des scanners modernes capables de lire des centaines de millions de paires de bases en quelques heures, par rapport aux milliers de paires de bases qui pourraient être lu dans le même temps par la technologie antérieure.
Hebert envisage un avenir dans lequel l’ADN sera collecté et séquencé automatiquement à partir de capteurs du monde entier, ce qui permettra aux défenseurs de l’environnement et aux taxonomistes d’accéder à de grandes quantités de données sur la santé et la répartition des différentes espèces. Il travaille actuellement à l'organisation d'une bibliothèque mondiale de codes à barres ADN que les scientifiques peuvent utiliser pour identifier rapidement un spécimen inconnu, un peu comme un Pokedex réel.
"Comment prévoiriez-vous le changement climatique si vous lisiez la température à un point de la planète ou un jour par an?", Fait remarquer Hebert. «Si nous voulons vraiment prendre en compte la conservation de la biodiversité, nous devons simplement changer complètement d’opinion sur la quantité de surveillance nécessaire.»
