Carapace ou ailes ?

Arbre phylogénétique montrant la position des coléoptères dans l’arbre de la vie.

Le biologiste du début du 20ème siècle J.B.S. Haldane est souvent crédité de la citation suivante : “Dieu a un goût immodéré pour les scarabées”, car les coléoptères forment le groupe d’animaux dans lequel on dénombre le plus d’espèces (on pense qu’il pourrait y en avoir environ 1.5 million). On trouve des coléoptères dans un grand nombre d’environnements, y compris des coléoptères aquatiques comme les dytiques, des coléoptères qui mangent du bois comme les capricornes, d’autres qui mangent d’autres insectes comme les cicindèles. Certains coléoptères sont très charismatiques comme la coccinelle, le bousier, la luciole, la lucane cerf-volant

Les coléoptères ont un plan d’organisation typique des insectes, avec 6 pattes, une tête, un thorax et un abdomen, mais n’utilisent qu’une paire d’ailes pendant le vol, l’autre paire, les élytres, restant fixe. Ces élytres ont probablement une fonction protectrice, et elles sont le plus souvent très solides. Elles peuvent être très colorées, comme chez la coccinelle, et ont servi à faire des bijoux dans certaines cultures humaines, ou bien ont été incluses dans des vêtements et oeuvres d’art en Asie du sud est.

C’est dans la poche !

Arbre phylogénétique montrant la position des marsupiaux dans l’arbre de la vie

Tous les marsupiaux ont une poche dans laquelle le petit grimpe pour finir son développement. Cette poche varie cependant dans son organisation. Dans la plupart des espèces, seules les femelles ont une poche, mais chez l’oposum aquatique le mâle a aussi une poche, dans laquelle sont situés ses organes génitaux. L’ouverture de la poche se fait par devant ou par derrière selon les espèces, selon ce qui permet de protéger au mieux les petits. Ainsi, la poche du kangourou s’ouvre par devant, mais celle du koala ou de l’oposum aquatique, par derrière. A l’intérieur de la poche se trouvent des tétines que les petits utilisent pour se nourrir.

Il y a trois grands groupes de mammifères : les monotrèmes, comme l’ornithorynque, les marsupiaux, et les mammifères euthériens comme l’homme, la baleine, le chat, la chauve-souris… Les marsupiaux sont des mammifères originaires de l’Océanie et de l’Amérique du Sud. Du fait de la tectonique des plaques, ils ont été séparés des mammifères euthériens pendant de nombreux millions d’années, et ont développé des formes ressemblant fort aux formes que l’on connaît parmi les mammifères euthériens, qui sont originaires d’Europe, Asie, Amérique du Nord ou Afrique. On trouve ainsi chez les marsupiaux des équivalents de nos loups, taupes, souris, écureuils volants… Autant d’exemples d’évolution convergente, que l’on interprète comme suit. Sur tous les continents, on trouvait des niches écologiques équivalentes : des prairies, des forêts, des arbres… Chacune de ces niches offrait des opportunités de spécialisation aux animaux qui y vivaient. C’est ainsi que des loups et des taupes sont apparues dans les prairies, ou des écureuils volants dans les arbres. Et ce, à partir d’ancêtres marsupiaux, ou bien euthériens.

Digérer en plusieurs fois

Arbre phylogénétique montrant la position des ruminants dans l’arbre de la vie

Les ruminants se nourrissent d’herbes et de plantes, dont la cellulose est difficile à digérer. Cette molécule est pourtant riche en énergie, car c’est un polymère de molécules de glucose, une des bases de notre métabolisme énergétique. Afin d’exploiter cette ressource, les ruminants ruminent, et donc mâchent plusieurs fois l’herbe qu’ils ont brouté, en faisant des va et vient entre la bouche et l’estomac, qui est plus complexe que le nôtre. En plus de cette action mécanique, les ruminants sécrètent beaucoup de salive et ont recours à des microorganismes qui les aident à digérer l’herbe. Ainsi, dans la panse des ruminants, des bactéries, par exemple du genre Ruminococcus, cassent le cellulose en molécules de glucose. Une partie du glucose est ingéré par l’animal, mais le reste est utilisé par d’autres microbes comme source d’énergie, ce qui produit des molécules d’hydrogène, qui sont alors utilisées par d’autres microorganismes, des Archées, qui produisent du méthane… Ce méthane est relargué, principalement par la bouche, lorsque la vache éructe. Sur un an, la quantité de méthane produite par une vache laitière est de plus de 100kgs, ce qui fait de l’agriculture intensive un important contributeur à la production globale de méthane, et donc au réchauffement climatique. De nombreuses études s’intéressent au fonctionnement de la panse des ruminants, ce qui a notamment conduit au développement des fameuses “vaches à hublot”…

6 pattes

Arbre phylogénétique montrant la position des insectes dans l’arbre de la vie

Tous les insectes ont 6 pattes, toutes placées au niveau du thorax, qui se situe entre la tête et l’abdomen. Les crustacés peuvent en avoir plus, de même que les chélicérates (qui comprennent les araignées) qui en ont 8. Certains insectes semblent dévier de la règle toutefois : ainsi certaines chenilles, les larves des papillons, semblent avoir un très grand nombre de pattes. En vérité, elles ont 6 pattes, situées sur le thorax, mais peuvent avoir un grand nombre d’appendices supplémentaires, qu’on appelle des pseudopodes (étymologiquement, “fausses pattes”), par exemple des ventouses, qui sont situées sur l’abdomen. Au moment de la métamorphose, qui permet à la chenille de devenir un papillon, ces fausses pattes disparaissent et seules restent chez le papillon les 6 pattes placées sur le thorax.

Insectes à deux ailes

Les mouches et les moustiques au sens large forment l’ordre des diptères (étymologiquement “2 ailes”). Le dernier ancêtre commun de tous les diptères date d’environ 300 millions d’années (voir le site http://www.timetree.org/). Les diptères font partie du vaste groupe des insectes. L’ancêtre commun des insectes portait 4 ailes. Chez les diptères, les ailes postérieures sont réduites à de petits balanciers, qui maintiennent l’équilibre pendant le vol, et qu’on appelle les haltères. Le nombre d’ailes a également varié dans d’autres lignées d’insectes au cours de l’évolution. Chez les strepsiptères, un groupe d’insectes parasites, ce sont les ailes antérieures qui sont devenues des balanciers similaires aux balanciers des diptères. Chez les coléoptères, comme par exemple les coccinelles, les ailes antérieures constituent une carapace souvent colorée. Chez les poux, les deux paires d’ailes ont été perdues.

Transpiration

L’ancêtre des mammifères avait probablement déjà des glandes sudoripares, mais chez l’homme et le cheval, ces glandes remplissent une fonction de thermorégulation qui est très importante. Chez d’autres animaux, la thermorégulation est principalement assurée par d’autres mécanismes, tels que le halètement chez le chien, ou des bains dans l’eau ou la boue, comme chez le sanglier. Les primates ont tous des glandes sudoripares, mais c’est l’homme qui transpire le plus, et de loin.

 

La morphologie et la physiologie humaine sont évidemment l’objet d’un grand intérêt de la part des biologistes de l’évolution. L’espèce humaine est non seulement unique et particulière, comme toutes les espèces, mais en plus, c’est la nôtre ! Parmi les primates, l’homme est unique dans sa façon de se mouvoir, mais également dans son anatomie, sa dentition, réduite par rapport aux chimpanzés et gorilles, et son tendon d’Achille, allongé. Chez l’homme, l’évolution biologique est étroitement liée à l’évolution culturelle, qui prend une importance beaucoup plus grande que dans d’autres espèces. Par exemple, on pense que la dentition et le système digestif se sont réduits il y a des millions d’années à la suite de changements culturels: grâce au feu et aux outils, la nourriture, et en particulier la viande, est plus facile à mâcher et à digérer ! En extrayant davantage d’énergie des aliments, cette sorte de pré-digestion aurait aussi permis l’expansion dans la lignée humaine d’un organe très gourmand en énergie : le cerveau.

 

Pour ce qui est du tendon d’Achille, il est particulièrement long chez l’homme. Cette caractéristique ne serait pas liée à la seule position debout (car le tendon d’Achille sert peu lors de la marche), mais plutôt à la course. Ainsi dans la lignée humaine, un long tendon d’Achille et la capacité de transpirer en abondance auraient évolué alors que l’homme devenait un excellent coureur de fond. Deux hypothèses sont envisagées pour expliquer en quoi il aurait pu être utile à nos ancêtres d’être de bons coureurs sur de longues distances : la chasse à l’épuisement et/ou la recherche de carcasses d’animaux. Selon la première hypothèse, nos ancêtres, armés de simples lances à pointes en bois, auraient chassé des animaux en leur courant après en plein soleil, afin de les assoiffer et les épuiser, pour pouvoir les tuer sans trop de difficultés. Selon la seconde hypothèse, durant la journée nos ancêtres auraient passé leur temps à rechercher des carcasses d’animaux morts : dès qu’ils voyaient des charognards planer au-dessus d’une carcasse, ils pouvaient se rendre promptement sur les lieux du festin et en profiter avant que les hyènes et lions, animaux nocturnes, sortent eux aussi chercher à manger.

Le cheval est bien évidemment lui aussi un excellent coureur de fond. Dans ces deux espèces, la capacité de perdre de la chaleur par transpiration semble être clef pour leur permettre de courir sur de longues distances. Il existe même des courses opposant hommes et chevaux sur de longues distances, où l’homme l’emporte parfois…

Une boussole dans la tête

La capacité à se diriger grâce au magnétisme terrestre est retrouvée chez plusieurs animaux, comme les pigeons, les saumons, les tortues de mer, le papillon monarque et même la mouche drosophile, et également chez des bactéries, mais beaucoup de choses restent à découvrir dans ce domaine. Nous ne savons pas bien quelles espèces ont cette capacité, et quelles espèces ne l’ont pas. L’étude des mécanismes qui permettent à ces organismes vivants de détecter et d’utiliser le champ magnétique est également loin d’être terminée. Il est ainsi difficile de savoir si cette capacité est apparue une fois et a été perdue dans certaines lignées, ou si au contraire elle est apparue plusieurs fois. Nous avons décidé ici de représenter la seconde hypothèse, mais elle reste très incertaine.

 

Chez le pigeon, un organe situé dans le haut du bec et contenant de la magnétite lui permet de sentir des champs magnétiques. Le pigeon utiliserait cet organe lors de ses longs voyages, qui peuvent atteindre des centaines de kilomètres. Cette capacité du pigeon à s’orienter et à voyager sur de longues distances ont fait de lui un messager de choix avant l’arrivée des moyens modernes de communication.

 

Chez la tortue de mer, on a aussi prouvé que les petits pouvaient s’orienter en utilisant le champ magnétique terrestre. Contrairement au pigeon et à nombre d’autres animaux qui ont besoin de lumière pour exercer leur sensibilité aux champs magnétiques, les tortues peuvent détecter le champ magnétique aussi bien à la lumière qu’à l’obscurité.

Récemment, on a montré qu’un oiseau migrateur, le rouge-gorge, était sensible aux perturbations magnétiques causées par l’homme, qui utilise les ondes pour quantité d’applications, de la radio à la téléphonie mobile. On ne sait pas si ces perturbations humaines nuisent à d’autres animaux migrateurs.

Attention danger !

De nombreux organismes vivants sont toxiques. Attention, cela ne signifie pas qu’ils peuvent transmettre un venin (par une piqûre ou une morsure par exemple) mais plutôt qu’ils sont impropres à la consommation… Une telle caractéristique peut à première vue apparaître paradoxale d’un point de vue évolutif: pourquoi la sélection naturelle favoriserait-elle les individus toxiques, puisque leur toxicité ne s’exprime que s’ils ont déjà été mangés? Mais c’est sans compter sur la mémoire des prédateurs. En effet, on peut penser qu’un prédateur qui est tombé malade après avoir consommé ou goûté un individu d’une certaine espèce tâchera d’éviter d’autres individus de cette espèce à l’avenir. Dans ce scénario, il peut être avantageux pour l’espèce toxique d’être facilement reconnaissable, en arborant des couleurs vives ou des motifs spectaculaires comme chez la rainette jaguar, ou en se groupant avec ses congénères comme chez le gendarme (Pyrrhocoris apterus). On appelle cette stratégie l’aposématisme.

 

Les gendarmes, un type de punaise qu’on rencontre fréquemment en France, fournissent un exemple d’aposématisme. On pense que ces insectes ont un goût désagréable pour leurs prédateurs car ils possèdent des glandes sécrétant des molécules irritantes (d’autres espèces de punaises sont connues pour sécréter des molécules malodorantes). Dans une étude de 2003, des chercheurs ont pris des gendarmes qu’ils ont séparés en deux groupes, puis ont peint en brun les individus d’un des deux groupes. Ils ont pu alors constater que des oiseaux capturés dans la nature évitaient de manger les individus ayant conservé leurs couleurs naturelles, mais essayaient de manger les individus peints. Cette expérience ne contredit donc pas l’hypothèse selon laquelle les couleurs vives des gendarmes, associées à leur mauvais goût, leur permettraient d’être moins attaqués par des prédateurs.

 

De façon similaire, la rainette jaguar avertit, grâce à des couleurs vives et des motifs très visibles, une forte toxicité.  L’origine de ces toxines, sécrétées par leur peau, est à trouver dans leur alimentation, constituée d’insectes. En comparant plusieurs espèces de grenouilles de cette famille, des chercheurs ont pu démontrer que les couleurs les plus vives allaient de pair avec une plus grande toxicité, ce qui confirme que ces grenouilles ont adopté une stratégie aposématique. Cette association entre coloration vive et toxicité est même apparue plusieurs fois indépendamment chez les grenouilles dendrobates, dont fait partie la rainette jaguar, au cours des quelques dernières dizaines de millions d’années.

L’amanite tue-mouche est un champignon très coloré (rouge à points blancs) et également toxique (notamment pour l’homme), ce qui en fait une candidate à la pratique de l’aposématisme. Elle semble être originaire de Sibérie, et apparue aux alentours de 10 millions d’années. Elle est proche cousine de l’amanite panthère, qui lui ressemble, sans la couleur rouge. L’amanite tue-mouche fait partie des amanitacées, qui contiennent de nombreuses espèces, dont certaines sont mortelles pour l’homme, comme l’amanite phalloïde, commune dans nos régions. D’autres amanites sont des mets recherchés, comme l’amanite des Césars ou oronge. L’aspect visuel de l’amanite tue-mouche la rend assez facile à identifier, ce qui peut faire penser qu’elle constitue un exemple d’aposématisme. Cependant, les autres amanites toxiques ne sont pas autant visibles. D’ailleurs, une étude de 2006 a montré que les champignons toxiques n’étaient en général pas plus visibles que les champignons comestibles, ce qui indiquerait que l’aposématisme au sens classique n’est peut-être pas répandu chez ces champignons. Il semblerait par contre que les champignons toxiques sont plus odorants que les champignons comestibles : l’aposématisme de ces champignons passerait donc plutôt par l’odeur que par l’apparence.

Venin

Il est difficile d’établir quand le venin des ornithorynques mâles est apparu au cours de l’évolution. Des arguments paléontologiques ont été avancés pour proposer que les  premiers mammifères, il y a 200 millions d’années, possédaient comme le mâle ornithorynque une glande venimeuse associée à une griffe. Selon cette hypothèse, parmi tous les mammifères, seul le mâle ornithorynque aurait gardé cette caractéristique, ce qui serait un peu surprenant… D’ailleurs, des analyses bioinformatiques des protéines constituant le venin de l’ornithorynque suggèrent plutôt que le venin serait apparu au sein de la lignée des monotrèmes, qui comprend les ornithorynques et les échidnés, il y a seulement quelques dizaines de millions d’années. Cependant la question reste ouverte.

Quelques autres mammifères sont venimeux, comme certaines musaraignes ou des chauves-souris vampire, mais délivrent leur venin par morsure, et non par une griffe spécialisée.

Du côté des serpents, le même type d’argument a été utilisé pour savoir quand le venin est apparu : d’abord des considérations morphologiques, et plus récemment des analyses des protéines constituant le venin des reptiles. On pense désormais que l’ancêtre des lézards et des serpents, qui vivait il y a environ 160 millions d’années (voir TimeTree.org), était déjà venimeux. Les lézards que nous connaissons ne sont pas venimeux, mais certains lézards comme des iguanes ou des varans sont restés venimeux. Le plus souvent, ces derniers ne délivrent pas leur venin comme les serpents, depuis leur mâchoire supérieure, mais depuis leur mâchoire inférieure.

Soin paternel : de rares papa poules

Dans la plupart des espèces animales, les parents ne s’occupent pas de leur descendance après la ponte: le soin parental est plutôt l’exception. Et le soin paternel, assuré par le papa, est encore plus rare ! Cependant, chez les oiseaux par exemple, dans la plupart des espèces, le père et la mère s’occupent tous les deux des petits. Dans certains cas, comme chez les manchots qui vivent dans l’hémisphère sud, le père peut faire preuve de beaucoup de dévouement dans le soin apporté à ses petits, y compris jeûner pendant de longues durées. Chez les poissons, la diversité des comportements de soin des petits est grande. Chez les hippocampes les pères ont une poche dans laquelle la mère pond ses oeufs, et dans laquelle les oeufs finissent de se développer. Dans certains cas cette poche fournit même des nutriments aux petits. Ce soin paternel développé est apparu chez l’ancêtre commun des syngnathidés, un groupe de poissons aux formes très variées qui inclut notamment les hippocampes. Chez tous les syngnathidés, le père s’implique dans le devenir de sa descendance, ce qui ne semble pas être le cas des espèces proches des syngnathidés. On pense que cette caractéristique des syngnathidés est apparue il y a environ 40 millions d’années. Voici encore un exemple de convergence évolutive!

 

Dans les cas extrêmes qui défient la règle générale, comme celui de l’hippocampe, on parle d’une “inversion des rôles sexuels”, qui s’accompagne de nombreux changements comportementaux. En effet, selon la théorie de la sélection sexuelle, le degré d’investissement de chaque sexe dans le soin aux petits détermine la direction de l’évolution des comportements sexuels. Ainsi, dans la plupart des espèces, les femelles investissent beaucoup plus d’énergie que les mâles dans chaque descendant. La sélection naturelle favorise par conséquent des comportements chez ces femelles qui maximisent la “qualité” plutôt que la “quantité” de leurs descendants. En particulier, les femelles ont tendance à choisir soigneusement le père de leur précieuse progéniture. Au contraire, si les mâles investissent peu d’énergie dans chaque descendant, la sélection naturelle favorise des comportements des mâles qui maximisent le nombre de descendants, plutôt que leur qualité. Il s’agit par exemple de plaire le plus possible aux femelles, en arborant des couleurs vives (en signe de bonne santé) ou de combattre les autres mâles, pour éliminer les compétiteurs. En d’autres termes, dans les espèces où les mâles ne prennent pas soin des petits, la stratégie sélectionnée est plutôt de féconder le plus de femelles possible, et le choix du partenaire n’est pas une priorité. Cette théorie explique pourquoi, dans de nombreuses espèces, les femelles choisissent soigneusement leur partenaire, alors que les mâles font les beaux (comme chez le paon) ou les costauds (comme chez les cerfs, ou les éléphants de mer). Les cas particuliers de l’hippocampe et du manchot viennent renforcer cette théorie, car quand le degré d’investissement parentale des mâles et des femelles change, leur comportement sexuel évolue en conséquence !