Quand les insectes ont-ils évolué ?

Au cas où vous vous poseriez la question, au dernier décompte, 1 659 420 espèces d’animaux ont été décrites par les scientifiques. Près de 80% d’entre elles sont des arthropodes, ou des insectes et leurs parents craquants.

Notre planète des arthropodes est dominée par les insectes, et quand et comment les insectes ont pris possession de la terre est une question qui intrigue les naturalistes depuis des siècles. Dans un incroyable effort international, 100 scientifiques ont combiné leur expertise en biologie moléculaire, informatique, statistique, paléontologie et taxonomie pour découvrir des conclusions surprenantes sur le moment où les principaux groupes d’insectes ont évolué :

B. Misof, et al. 2014. La phylogénomique résout le calendrier et le modèle de l’évolution des insectes. Science 346 (6210) : 763-767.

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Comment résoudre un problème comme celui des insectes ?

L’histoire de fond de cette recherche est presque aussi intéressante que les résultats. Donner un sens à la diversité des insectes dans les collections a traditionnellement été la tâche d’un expert solitaire, généralement spécialisé dans un seul sous-ensemble d’un groupe. Ils s’identifient tellement à leurs organismes d’étude qu’ils peuvent être présentés comme « l’homme fourmi » ou « la femme guêpe ». (Aucun taxonomiste que je connais ne porte de collants et de capes en spandex pour travailler, ce dont je lui suis profondément reconnaissant). Avec plus d’un million d’espèces décrites, il n’est pas difficile de voir comment quelqu’un pourrait passer une vie entière à essayer de faire de l’ordre à partir du chaos de la biodiversité.

La taxonomie a une histoire de conflits et d’excentricité, et l’entrée des nouvelles technologies moléculaires dans le monde des épingles minuscules et des spécimens de musée n’a pas toujours été (http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/14772000.2010.534512#tabModule « Comme nommer une espèce « procrastinateur » »). Lorsque le séquençage était coûteux et prenait du temps, la question était « quelle espèce devrions-nous faire ensuite ? » La concurrence pour le financement et l’espace de laboratoire était vive.

Avec les progrès à la fois de l’informatique et du séquençage de nouvelle génération, la vitesse et le coût du séquençage ont suffisamment baissé pour que les scientifiques puissent se regrouper et poser des questions plus importantes. Brian Wiegmann de l’Université d’État de Caroline du Nord (auteur n°74) a exprimé cela de manière élégante : « Il ne suffit pas de cataloguer les livres de la bibliothèque, nous voulons comprendre leur contenu. »

Bernhard Misof du Musée de recherche zoologique Alexander Koenig, en Allemagne (auteur n°1), Xin Zhou de la China National GeneBank, BGI-Shenzhen, en Chine (auteur n°100), et Karl Kjer de l’Université Rutgers, aux États-Unis (auteur n°99), ont proposé un plan ambitieux. Ils ont formé 1KITE, l’acronyme signifiant 1K Insect Transcriptome Evolution. Une équipe mondiale d’experts a été recrutée pour aider à créer un inventaire en libre accès des transcriptomes (tous les gènes exprimés dans un organisme) de 1 000 espèces d’insectes. Cette base de données sera utilisée pour répondre à des questions sur la façon dont les insectes ont évolué vers l’étonnante diversité de formes que nous voyons aujourd’hui, et a également des applications en médecine, en agriculture et en écologie de la conservation.

Le document publié cette semaine traite principalement du calendrier de l’évolution des insectes, sur la base d’un sous-ensemble de 144 espèces. Les chercheurs cherchent des réponses à de très grandes questions : Quand les insectes ont-ils développé le vol ? Quand l’étonnante diversité des insectes s’est-elle développée ?

Horloges et roches

Le problème avec les fossiles est qu’ils sont rares. Lorsque vous avez de minuscules animaux spongieux impliqués, ils sont encore moins communs. Cette nouvelle recherche utilise des estimations de temps basées sur des preuves géologiques provenant de fossiles en combinaison avec des temps de divergence estimés basés sur des preuves moléculaires. C’est ce qu’on appelle parfois une horloge moléculaire, car elle utilise les changements accumulés dans l’ADN pour dire combien de temps s’est écoulé.

L’examen de tout l’ARN dans des milliers d’échantillons d’insectes de centaines d’espèces d’insectes représente BEAUCOUP de données. Le plus gros problème du projet a été de traiter la quantité massive d’informations de séquences générées. Les combinaisons possibles se comptaient par quadrillions. La capacité de calcul pour croquer toutes ces données… n’existe pas.

C’est là que l’informaticien et expert en bioinformatique Alexandros Stamatatakis (auteur n°60) et son équipe sont entrés en jeu. Son groupe de recherche a mis au point une méthode mathématique permettant d’exclure les combinaisons hautement improbables et de se concentrer sur les combinaisons probables. Le groupe du superordinateur de l’Institut d’études théoriques de Heidelberg, qui travaille habituellement sur des problèmes d’astrophysique, a été utilisé pour croquer les données.

Les dinosaures n’avaient pas de poux, et autres révélations

Alors, qu’a trouvé cette énorme quantité de travail ? La conclusion qui, je pense, attirera le plus l’attention du public est que les poux sont un groupe d’insectes récent, apparu il y a seulement environ 53 millions d’années ; le moment où les oiseaux et les mammifères modernes sont apparus.

Cette date rend les poux « plus jeunes » que les primates. Il pourrait y avoir un peu de kerfuffle, car les précédentes estimations minables basées sur des fossiles sont révisées. Tout le monde aime un bon lancer de taxonomie.

Mais c’est vraiment une découverte secondaire. Autres découvertes majeures à noter :

• Les ancêtres des insectes (Hexapoda) sont probablement apparus au début de l’Ordovicien, il y a environ 479 millions d’années.
• Le vol des insectes est apparu il y a environ 406 millions d’années, à peu près au moment où les plantes ont commencé à vraiment se diversifier sur terre et à se développer vers le haut en forêts.
• La diversification explosive des insectes dans la plupart des grands ordres que nous voyons aujourd’hui s’est produite avant l’émergence des angiospermes (plantes à fleurs).

La rapidité avec laquelle les insectes se sont diversifiés est remarquable. La terre est âgée de ~4,5 milliards d’années. Dans seulement les derniers 10% de l’histoire de la terre, les plantes ont colonisé la terre. En l’espace de 80 millions d’années, les insectes ont formé la plupart des grands groupes encore vivants aujourd’hui et se sont emparés des cieux, où ils ont régné en maître pendant des millénaires.

Jessica Ware de l’université Rutgers (auteur n°8) a déclaré « c’était un rayonnement rapide et extrême en un temps très court. Cela a rendu notre travail vraiment difficile en tant que scientifiques – cela a été l’une des pierres d’achoppement traditionnelles pour classer les insectes. Avec cette énorme quantité de données, nous avons maintenant une excellente résolution, et nous pouvons réellement dire quelque chose sur les tranches d’âge. »

Que signifie tout cela ?

La meilleure partie de cette recherche est encore à venir, mais la direction que nous prenons est claire. L’arbre de vie des insectes a été constamment élagué et réarrangé au cours du siècle dernier. On a parfois l’impression que les taxonomistes ont participé à un programme de protection des témoins du FBI, les noms ont été changés si souvent.

Cela va certainement continuer — comprendre comment chaque groupe de coléoptères, par exemple, est lié est un niveau de détail très fin. Mais le tableau d’ensemble se précise enfin. Nous sommes maintenant sur la voie d’une véritable phylogénie, ou carte de ce qui est venu en premier, et des relations que les groupes entretiennent entre eux. Ce groupe est un parent, ce groupe est une sœur.

A mesure que les recherches de ce groupe sont publiées, nous nous rapprochons d’une phylogénie des insectes qui est plus qu’une simple histoire que nous avons reconstituée à partir des motifs des ailes et des organes génitaux des insectes. Nous commençons vraiment à réaliser ce qu’un grand collectionneur de coléoptères a dit un jour :

« À partir d’un commencement si simple, des formes infinies les plus belles et les plus merveilleuses ont été, et sont en train d’être, évoluées. » Charles Darwin.

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