Pendant longtemps, les biologistes ne pouvaient compter que sur les données morphologiques des organismes pour établir leur filiation. Aujourd’hui, les arbres phylogénétiques reposent sur le séquençage génétique des individus, une méthode considérée comme beaucoup plus fiable, bien que cette « supériorité » ait rarement été évaluée. Dans une nouvelle étude, des biologistes montrent que les arbres moléculaires s’adaptent effectivement bien mieux aux données biogéographiques que leurs homologues morphologiques. Ceci remet donc en question les arbres évolutifs reposant uniquement sur des données morphologiques.
Connaître les relations entre individus est essentiel en biologie, en particulier en biologie évolutive, il est donc crucial de déterminer la meilleure façon d’établir une phylogénie précise. Les relations phylogénétiques entre les individus sont déduites principalement de deux classes de données : morphologiques et moléculaires. Avant que le séquençage moléculaire ne soit possible, les scientifiques reliaient les taxons entre eux à partir de critères morphologiques (anatomie et structure).
Le développement de techniques de séquençage génétique rapide a permis de construire les relations évolutives des espèces plus rapidement et à moindre coût. Ces méthodes avancées ont par ailleurs permis d’éliminer plusieurs erreurs : certaines espèces longtemps considérées comme étroitement liées appartenaient en réalité à des branches phylogénétiques complètement différentes. Pour évaluer la précision des deux méthodes de façon empirique, des biologistes du Milner Center for Evolution de l’Université de Bath ont entrepris de comparer les arbres morphologiques et moléculaires avec les distributions géographiques des espèces.
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Des arbres moléculaires qui reflètent davantage la biogéographie
Les chercheurs ont considéré 48 paires d’arbres morphologiques et moléculaires d’animaux et de plantes à plusieurs niveaux taxonomiques. Ils ont constaté qu’en moyenne, les arbres moléculaires fournissent un meilleur ajustement aux données biogéographiques que leurs homologues morphologiques. En d’autres termes, les animaux regroupés par arbres moléculaires avaient tendance à vivre plus étroitement ensemble d’un point de vue géographique, que les animaux regroupés par arbres morphologiques. Et ceci, indépendamment de la taille et de l’équilibre des arbres, précise l’équipe.
« Depuis plus de cent ans, nous classons les organismes en fonction de leur apparence et de leur assemblage anatomique, mais les données moléculaires nous racontent souvent une histoire assez différente », a déclaré Matthew Wills, professeur de paléobiologie évolutive au Milner Center for Evolution de l’Université de Bath. À titre d’exemple, le scientifique explique que la musaraigne-éléphant, l’oryctérope du Cap, l’éléphant, la taupe dorée, ou encore le lamantin sont tous issus de la même branche de l’évolution des mammifères. Ils ont pourtant une apparence et des modes de vie complètement différents.
Ces animaux appartiennent au groupe des Afrothériens, un superordre de mammifères placentaires, qui repose uniquement sur des analyses moléculaires. La plupart des espèces de ce groupe se trouvent en Afrique. L’arbre moléculaire de ces animaux concorde tout à fait avec leur répartition géographique. « Les arbres moléculaires [correspondent davantage à la biogéographie] non seulement dans des groupes comme les Afrothériens, mais aussi dans l’ensemble de l’arbre de la vie chez les oiseaux, les reptiles, les insectes et les plantes », souligne le Dr Jack Oyston, chercheur au Milner Centre for Evolution et premier auteur de l’étude.
Une évolution convergente extrêmement fréquente
Comme l’expliquent les chercheurs, les données moléculaires offrent plusieurs avantages par rapport aux données morphologiques. Premièrement, les caractères moléculaires peuvent être acquis en bien plus grand nombre et plus facilement que les caractères morphologiques, et souvent avec moins d’expertise taxonomique. Deuxièmement, les données de séquençage publiées peuvent être facilement recherchées, ré-utilisées et ré-analysées pour être comparées à de nouvelles séquences.
Troisièmement, l’approche n’implique pas de critères subjectifs et favorise la répétabilité — à l’inverse, les systématiciens morphologistes doivent porter des jugements sur l’homologie des caractères et la manière dont ils sont codés : les données dépendent ainsi de la subjectivité de chacun. Enfin, l’évolution moléculaire repose sur de larges ensembles de données empiriques qui ont permis de construire des modèles sophistiqués.
L’analyse des données moléculaires a par ailleurs révélé que l’évolution convergente — qui désigne le fait qu’une caractéristique évolue séparément dans deux groupes d’organismes génétiquement non liés — est beaucoup plus courante que ne le pensaient les biologistes auparavant. Le vol est un exemple d’évolution convergente : cette caractéristique a évolué chez les oiseaux, les chauves-souris et les insectes. « Avec les données moléculaires, nous pouvons voir que l’évolution convergente se produit tout le temps. […] Cela prouve que l’évolution ne cesse de réinventer les choses, proposant une solution similaire chaque fois que le problème est rencontré dans une branche différente de l’arbre évolutif », souligne le professeur Wills.
L’équipe a noté par ailleurs que la congruence biogéographique tend à augmenter au fil du temps, à mesure que les méthodes et les modèles utilisés sont de plus en plus sophistiqués. Le fait que la biogéographie puisse refléter l’histoire de l’évolution est en grande partie à l’origine de la théorie de l’évolution de Charles Darwin — selon laquelle les individus les mieux adaptés à leur environnement se reproduisent davantage que les autres. Pourtant, la biogéographie n’avait jusqu’à présent jamais été considérée comme un moyen de tester directement la précision des arbres évolutifs.
Les chercheurs soulignent que les données morphologiques sont néanmoins importantes : « Non seulement la phylogénétique repose sur un héritage de recherche morphologique, mais environ 98% des espèces sont éteintes, et la morphologie reste la seule source de données pour les taxons exclusivement fossiles », expliquent-ils. Leur étude montre que la biogéographie peut dans ce cas aider à réduire les erreurs, en particulier celles induites par l’évolution convergente.