L'un des modèles d'évolution à grande échelle les plus intéressants est le parallélisme. Par exemple, le vol a évolué à plusieurs reprises, en parallèle, à partir de nombreux organismes non volants; de nombreuses espèces de vertébrés qui ne sont pas des poissons ont évolué en nageant, en parallèle. Une étude a révélé une évolution parallèle du gilet pare-balles chez les poissons épinoche d’eau douce de nombreux ancêtres d’eau salée.
Une autre chose intéressante à propos de l'évolution, qui n'a été appréciée que depuis quelques décennies, est le fait qu'il n'y a pas une simple correspondance entre gènes et traits. Rarement un gène détermine un trait, et rarement un trait varie en raison d'un gène. Il existe des dizaines d'exemples de relations simples entre gènes et caractères, dont beaucoup ont été découverts il y a des années. Parce que ces relations étaient relativement faciles à trouver et à décrire, nos manuels en sont pleins et notre réflexion sur la génétique s’y est depuis longtemps fondée. Mais cela revient un peu à fonder notre conception du fonctionnement de tous les véhicules sur une compréhension profonde du fonctionnement d’un wagon-jouet. La mécanique et l'ingénierie d'un petit wagon rouge ne nous aideront pas à comprendre les escalators, les sous-marins ou les systèmes de lancement lunaires Apollo. Nous pensons maintenant que la plupart des gènes affectent plusieurs traits et que la plupart des traits sont affectés par plusieurs gènes, ce qui est très complexe.
Une étude récente sur le comportement des épinoches semble être un exemple de gène affectant plusieurs caractères.
Les épinoches sont des membres de la famille des Gasterosteidae, dont les espèces vivent dans les eaux douces et salées. Les épinoches d'eau douce ont été créées par des ancêtres d'eau salée qui étaient enclavés il y a moins de 17 000 ans dans de nombreux endroits de l'hémisphère Nord. Pour cette raison, les différences entre les épinoches d'eau douce et d'eau de mer représentent l'évolution récente et rapide d'un groupe d'espèces bien connues et sont donc particulièrement intéressantes pour les scientifiques.
Les épinoches d'eau de mer ont jusqu'à 36 plaques osseuses associées à un plus petit nombre d'épines acérées. Ces plaques et épines protègent le poisson des prédateurs, mais leur production et leur entretien sont coûteux. Les plaques osseuses nécessitent un apport en calcium supplémentaire, ce qui est rare dans certains environnements, et limitent les mouvements corporels du poisson.
Les épinoches d'eau douce ont généralement moins d'épines et de plaques osseuses. Certains ont une fente dans la rangée d'assiettes (on parle de «morph partiel»), tandis que d'autres n'ont que quelques assiettes à l'arrière du poisson («low morph»). L'eau douce contient moins de calcium que l'eau salée, il peut donc s'agir d'une adaptation à une ressource limitante. De plus, les environnements d'eau douce ont tendance à avoir moins de prédateurs que les environnements d'eau de mer, de sorte que les caractéristiques de protection des plaques osseuses peuvent être moins importantes en eau douce; la sélection naturelle de cette armure était peut-être détendue et, avec le temps, elle a été perdue en parallèle dans de nombreuses populations différentes.
Dans une étude de 2005, les scientifiques ont étudié un gène ( Eda ) déterminant la croissance de la plaque osseuse et ont découvert que les épinoches à l'eau douce avaient une variante du gène qui provoquait la formation de moins de plaques dans ces populations. Le gène Eda remplissant probablement une fonction régulatrice, il pourrait donc déterminer l'un des phénotypes allant de la version en eau de mer entièrement blindée aux deux versions moins blindées trouvées en eau douce. Les chercheurs ont découvert que la plupart des épinoches d'eau douce de l'hémisphère Nord présentant une perte de plaques osseuses perdent de la sorte parce qu'elles ont toutes hérité d'une variante de l' Eda rare dans les populations d'origine d'eau salée. Le trait a donc évolué en parallèle dans de nombreuses lignées, toutes issues de populations différentes d’eau de mer, mais il a également évolué à partir d’une seule forme préexistante du gène. Cependant, il a également été constaté qu’un ou plusieurs épinoches à plaque osseuse réduite de l’hémisphère Nord tiraient ce caractère d’un changement génétique totalement différent.
Ce trait est donc un exemple de caractéristique déterminée par plusieurs gènes et un exemple d'évolution parallèle se produisant de plusieurs façons.
Une deuxième étude qui vient d’être rapportée lors d’une réunion scientifique examine ce qui semble être une question totalement différente à propos de l’évolution des épinoches. La plupart des épinoches forment des bancs, ce qui est une adaptation courante chez les poissons, selon le principe de la sécurité en nombre. Mais il existe une population d'épinoches d'eau douce qui ne forme pas d'école. Les épinoches du lac Paxton, en Colombie-Britannique, au Canada, nagent seules la plupart du temps. Plutôt que de former des écoles, ils se cachent dans une épaisse végétation au fond du lac Paxton.
L'équipe de recherche dirigée par Anna Greenwood du Centre de recherche sur le cancer Fred Hutchinson à Seattle a mis au point une machine permettant de tester et de mesurer le comportement scolaire des épinoches. Cela consiste en un groupe de faux poissons ressemblant à des mobiles qui se déplacent ensemble comme une école robotique dans un cercle autour d'un grand aquarium. Lorsque des poissons appartenant à une population scolaire d'épinoches ont été mis à l'eau avec cette machine, ils ont rejoint le faux poisson et ont nagé avec eux. Lorsque les poissons de la population non scolarisée ont été mis à l’eau avec cette machine, ils n’ont pas été scolarisés. Ces deux populations sont si étroitement liées qu’elles peuvent se croiser. Les chercheurs ont testé la progéniture des poissons scolarisés et des poissons non scolarisés pour déterminer le comportement de chaque poisson. Comme prévu, certains ont été scolarisés et d'autres non. Une fois que les poissons hybrides ont été triés, leurs gènes ont été examinés pour déterminer s’il existait une signature particulière allant de l’éducation à la nage solitaire.
Il s'avère que le gène qui semble contrôler le comportement des bancs chez ces poissons n'est autre qu'Eda, le même gène qui contrôle le nombre de plaques osseuses.
Ainsi, les épinoches ne nous donnent pas seulement un excellent exemple de la façon dont une évolution parallèle peut survenir, mais également un excellent exemple d’un gène affectant plus d’un trait. Mais comment ça marche? Les poissons qui ne développent pas de plaques osseuses ne développent pas non plus une ligne latérale pleinement fonctionnelle. Une ligne latérale est un organe sensoriel de nombreux poissons qui leur permet de détecter les mouvements ailleurs dans l'eau. Certains poissons prédateurs utilisent la ligne latérale pour trouver leur proie, d'autres poissons utilisent la ligne latérale pour détecter les prédateurs et ainsi éviter de devenir une proie, et les écoliers utilisent la ligne latérale pour surveiller les autres poissons de l'école. Apparemment, les épinoches aux lignes latérales peu développées ne peuvent pas se dresser car elles ne peuvent pas détecter correctement les autres poissons avec lesquels elles auraient besoin de coordonner leurs mouvements.
Sources:
Colosimo, Pamela F., Kim E. Hosemann, Sarita Balabhadra, Guadalupe Villarreal Jr., Mark Dickson, Jane Grimwood, Jeremy Schmutz, Richard M. Myers, Dolph Schluter et David M. Kingsley. 2005. Évolution parallèle généralisée chez les épinoches par fixation répétée d'allèles d'ectodysplasine Science 25 mars 2005: 307 (5717), 1928-1933.
Pennisi, Elizabeth. 2012. Point robotique du poisson au gène de la scolarisation. Nouvelles et analyses. Science 335 (6066): 276-277. DOI: 10.1126 / science.335.6066.276-b
