Comment les baleines sont passées de la terre à la mer

Cet article a été publié initialement sur le site de la revue Knowable Magazine from Annual Reviews et traduit avec leur aimable autorisation.

Il y a environ 400 millions d'années, l'ancêtre de toutes les créatures à quatre pattes a fait ses premiers pas sur la terre ferme. Avance rapide d'environ 350 millions d'années, et un descendant de ces premiers habitants de la terre ferme a fait volte-face : Il est retourné dans l'eau. Avec le temps, les créatures de retour à la mer ont donné naissance à des animaux très différents de leurs congénères terrestres : Ils sont devenus les magnifiques baleines, dauphins et marsouins qui glissent dans les océans aujourd'hui.

Le retour à l'état aquatique a été un changement radical qui a modifié les animaux de l'intérieur comme de l'extérieur, en l'espace d'environ 10 millions d'années - un clin d'œil en termes d'évolution. Les membres de ce groupe, aujourd'hui appelé cétacés, ont abandonné leurs membres postérieurs pour de puissantes nageoires et ont perdu presque tous leurs poils. Pendant des décennies, leur silhouette bizarre a laissé les paléontologues perplexes, qui ont supposé qu'ils pouvaient être issus de créatures aussi variées que des reptiles marins, des phoques, des marsupiaux comme les kangourous et même un groupe aujourd'hui disparu de carnivores ressemblant à des loups.

"Les cétacés sont dans l'ensemble les mammifères les plus étranges et les plus aberrants", écrivait un scientifique en 1945.

Puis, à la fin des années 1990, des données génétiques ont confirmé que les baleines faisaient partie de la même lignée évolutive que celle qui a donné naissance aux vaches, aux porcs et aux chameaux - une branche appelée Artiodactyla. Des fossiles provenant de l'Inde et du Pakistan actuels ont ensuite étoffé cet arbre généalogique, identifiant les plus proches parents anciens des cétacés comme de petites créatures ressemblant à des cerfs.

Mais le plan de leur corps n'est que le début de la bizarrerie des cétacés. Pour survivre dans la mer, ils ont également dû procéder à des modifications internes, altérant leur sang, leur salive, leurs poumons et leur peau. Nombre de ces modifications ne sont pas évidentes dans les fossiles, et les cétacés ne sont pas faciles à étudier en laboratoire. C'est donc, une fois de plus, la génétique qui les a mis en évidence.

Grâce à la disponibilité croissante des génomes de cétacés, les généticiens peuvent désormais rechercher les changements moléculaires qui ont accompagné la transition du retour à l'eau. S'il est impossible d'être certain de l'influence d'une mutation particulière, les scientifiques soupçonnent que nombre de celles qu'ils observent correspondent à des adaptations qui permettent aux cétacés de plonger et de prospérer dans les grands fonds marins.

Plonger dans les profondeurs

Les premiers cétacés ont perdu bien plus que des pattes lorsqu'ils sont retournés à l'eau : Des gènes entiers sont devenus non fonctionnels. Dans le vaste livre de lettres génétiques qui constitue un génome, ces gènes défunts sont parmi les changements les plus faciles à détecter. Ils se distinguent comme une phrase déformée ou fragmentée, et ne codent plus une protéine complète.

Une telle perte peut se produire de deux façons. Peut-être que le fait de posséder un gène particulier était d'une manière ou d'une autre préjudiciable aux cétacés, de sorte que les animaux qui l'ont perdu ont gagné un avantage en termes de survie. Ou bien, selon le génomiste Michael Hiller, de l'Institut de recherche Senckenberg de Francfort, en Allemagne, il pourrait s'agir d'une situation du type "on l'utilise ou on le perd". Si le gène n'avait pas d'utilité dans l'eau, il accumulerait aléatoirement des mutations et les animaux ne seraient pas moins bien lotis lorsqu'il ne fonctionnerait plus.

Aujourd'hui, les cétacés comprennent deux lignées principales, les baleines à dents (Odontoceti) et les baleines à fanons (Mysticeti). Les quelque 90 espèces vivent dans des habitats variés, notamment dans les rivières d'eau douce et dans les profondeurs de l'océan. Le parent vivant le plus proche des cétacés a fait l'objet de débats jusque dans les années 1990, lorsque des données génétiques ont permis d'identifier les hippopotames.

Hiller et ses collègues ont plongé dans la transition du retour à l'eau en comparant les génomes de quatre cétacés - dauphin, orque, cachalot et petit rorqual - avec ceux de 55 mammifères terrestres plus un lamantin, un morse et le phoque de Weddell. Quelque 85 gènes sont devenus non fonctionnels lorsque les ancêtres des cétacés se sont adaptés à la mer, rapporte l'équipe dans Science Advances en 2019. Dans de nombreux cas, dit Hiller, ils pouvaient deviner pourquoi ces gènes sont devenus défectueux.

Par exemple, les cétacés ne possèdent plus un gène particulier - SLC4A9 - impliqué dans la fabrication de la salive. C'est logique : À quoi bon cracher quand la bouche est déjà pleine d'eau ?

Les cétacés ont également perdu quatre gènes impliqués dans la synthèse et la réponse à la mélatonine, une hormone qui régule le sommeil. Les ancêtres des baleines ont probablement découvert assez rapidement qu'ils ne pouvaient pas remonter à la surface pour respirer s'ils éteignaient leur cerveau pendant des heures. Les cétacés modernes dorment d'un seul hémisphère cérébral à la fois, l'autre hémisphère restant en alerte. "Si vous n'avez pas le sommeil régulier tel que nous le connaissons aujourd'hui, alors vous n'avez probablement pas besoin de mélatonine", explique M. Hiller.

Les fossiles fournissent des preuves étonnantes de la transition des cétacés de la vie sur terre à la vie dans l'eau, et les dessins donnent une idée de ce à quoi pouvaient ressembler ces premiers cétacés (les animaux sur cette image n'ont pas tous vécu en même temps). Parmi les plus anciens cétacés figurent les pakicetidés (3), qui datent d'environ 50 millions d'années. Les preuves suggèrent qu'ils pouvaient patauger et pagayer, mais qu'ils passaient aussi une grande partie de leur temps sur la terre ferme. À peine 10 millions d'années plus tard, les dorudontidés (1) avaient un mode de vie entièrement aquatique.

Les longues périodes pendant lesquelles les baleines doivent retenir leur souffle pour plonger et chasser semblent également avoir favorisé les changements génétiques. La plongée profonde, comme le savent les plongeurs, signifie que de petites bulles d'azote peuvent se former dans le sang et engendrer des caillots - ce qui était probablement préjudiciable aux premiers cétacés. Or, deux gènes (F12 et KLKB1) qui contribuent normalement à la coagulation du sang ne sont plus fonctionnels chez les cétacés, ce qui réduit vraisemblablement ce risque. Le reste du mécanisme de coagulation reste intact, de sorte que les baleines et les dauphins peuvent encore soigner leurs blessures.

Un autre gène perdu - et celui-ci a surpris Hiller - code pour une enzyme qui répare l'ADN endommagé. Il pense que ce changement a également un rapport avec les plongées profondes. Lorsque les cétacés remontent à la surface pour respirer, l'oxygène inonde soudainement leur système sanguin, et par conséquent, les molécules d'oxygène réactives qui peuvent briser l'ADN aussi. L'enzyme manquante - l'ADN polymérase mu - répare normalement ce type de dommages, mais elle le fait de manière négligée, laissant souvent des mutations dans son sillage. D'autres enzymes sont plus précises. Peut-être, pense Hiller, que la mu était simplement trop négligée pour le mode de vie des cétacés, incapable de gérer le volume de molécules d'oxygène réactives produites par les plongées et les remontées constantes. En abandonnant l'enzyme imprécise et en confiant le travail de réparation à des enzymes plus précises que les cétacés possèdent également, on a peut-être augmenté les chances que les dommages causés par l'oxygène soient réparés correctement.

Les cétacés ne sont pas les seuls mammifères à être retournés à l'eau, et les pertes génétiques chez les autres mammifères aquatiques sont souvent parallèles à celles des baleines et des dauphins. Par exemple, les cétacés et les lamantins ont tous deux désactivé un gène appelé MMP12, qui dégrade normalement la protéine pulmonaire extensible appelée élastine. Cette désactivation a peut-être aidé ces deux groupes d'animaux à développer des poumons très élastiques, leur permettant d'expirer et d'inspirer rapidement quelque 90 % du volume de leurs poumons lorsqu'ils font surface.

Les adaptations à la plongée profonde ne se résument pas à des pertes, cependant. Le gène qui porte les instructions pour la myoglobine, une protéine qui fournit de l'oxygène aux muscles, a notamment été modifié. Les scientifiques ont examiné les gènes de la myoglobine chez les animaux plongeurs, des minuscules musaraignes aquatiques aux baleines géantes, et ont découvert un modèle : Chez de nombreux plongeurs, la surface de la protéine a une charge plus positive. Ainsi, les molécules de myoglobine se repoussent l'une l'autre comme deux aimants du nord. Les chercheurs pensent que cela permet aux mammifères plongeurs de maintenir de fortes concentrations de myoglobine sans que les protéines ne se collent les unes aux autres, et donc de fortes concentrations d'oxygène musculaire lorsqu'ils plongent.

La migration de l'ouverture nasale est l'un des nombreux changements morphologiques qui ont accompagné le passage de la terre à l'eau. Les premiers cétacés (à partir de la gauche) avaient des os nasaux (en gris) et des ouvertures nasales (en noir) près de l'extrémité de leur museau, comme de nombreux mammifères terrestres. Lorsque les cétacés sont passés à la vie sous-marine, leurs os se sont rétractés et les ouvertures nasales ont migré vers le sommet de la tête, devenant des évents (à droite).

La pression des agents pathogènes

Les premiers cétacés ont dû faire face à un autre défi lorsqu'ils ont commencé à nager : des milliards de petits germes. Comparés à l'air, les habitats aquatiques sont un ragoût funky de virus, de bactéries et d'autres agents pathogènes qui tentent de se faufiler dans le corps des baleines par leur peau et leurs poumons. "C'est un environnement vivant", explique Nathan Clark, généticien de l'évolution à l'université de l'Utah à Salt Lake City. "Tout ce qui fait face à l'environnement extérieur est frappé plus durement par les agents pathogènes." Il pense que ces germes marins ont stimulé les changements génétiques affectant la peau et les poumons des mammifères qui sont retournés à la mer.

Clark et ses collègues ont découvert ces altérations de la peau et des poumons lorsqu'ils ont examiné l'ADN de cétacés, de sirènes (lamantins et dugongs) et de pinnipèdes (phoques, morses et otaries). Ils ont recherché les cas où, chez tous les mammifères aquatiques, un certain gène semblait avoir accumulé des modifications de l'ADN plus rapidement, ou plus lentement, que le même gène chez les mammifères terrestres. Ce schéma leur indiquerait qu'un gène subissait une forte pression évolutive alors que les créatures aquatiques s'adaptaient à l'océan.

Les chercheurs ont indiqué en 2016 qu'ils avaient trouvé des centaines de gènes qui présentaient exactement ce schéma chez les membres de ces trois groupes aquatiques différents. Parmi les gènes soumis à une telle pression évolutive, on trouve ceux qui codent pour les protéines de la peau, et un gène codant pour le surfactant liquide qui recouvre l'intérieur des poumons. Il est difficile de savoir exactement comment ces changements génétiques ont amélioré la physiologie des animaux, mais Clark pense qu'il s'agit d'une protection contre les microbes.

Les baleines et leurs proches sont extrêmement difficiles à étudier en laboratoire, mais des techniques moléculaires de pointe permettent aux scientifiques de poser toutes sortes de questions sur les cétacés et d'y répondre. Les échantillons biologiques, qui comprennent le matériel génétique et d'autres molécules telles que les protéines, peuvent être collectés à partir de diverses sources.

Il n'est donc pas surprenant que les gènes du système immunitaire aient également changé lorsque les cétacés sont retournés sous l'eau. En fait, il s'agit d'un schéma évolutif commun, explique Andrea Cabrera, biologiste de l'évolution à l'université de Copenhague, qui a coécrit une perspective de 2021 sur la génétique et l'évolution des cétacés dans l'Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics. "Chaque fois que vous changez d'environnement, vous devez vous adapter à la nouvelle composition des agents pathogènes et des microbes", explique Cabrera. Des scientifiques chinois ont même découvert que la version dauphin d'un capteur particulier de bactéries est moins efficace pour réagir aux germes terrestres que sa protéine homologue provenant de vaches.

Lorsque Clark a recherché spécifiquement les gènes qui ont été perdus lorsque les cétacés, les siréniens et les pinnipèdes sont retournés à l'eau, son premier résultat était un gène appelé PON1. La fonction de la protéine qu'il code n'est pas entièrement comprise, mais M. Clark pense que sa désactivation a protégé les cétacés de l'inflammation qui se produirait autrement lorsqu'ils retiennent leur respiration pendant une longue période.

La désactivation du gène PON1 était une bonne chose lorsque les cétacés sont retournés à la mer. Mais aujourd'hui, un gène PON1 fonctionnel pourrait s'avérer utile. Chez les mammifères, il code pour la principale enzyme capable de dégrader les pesticides organophosphorés toxiques. Les insectes n'ont pas de PON1, ils sont donc vulnérables ; nous, les humains et autres mammifères terrestres, sommes quelque peu protégés. "Si ces mammifères marins en sont dépourvus, s'ils se tiennent à proximité des eaux de ruissellement agricoles et des canaux, comme le font les lamantins, cela pourrait être inquiétant", explique M. Clark.

Systèmes sensoriels

Clark et d'autres scientifiques ont également observé chez les cétacés une forte réduction des gènes fonctionnels de l'odorat - de près de 80 % chez les baleines à dents, dans une étude - et du goût. Les mammifères terrestres possèdent des centaines de récepteurs olfactifs qui leur permettent de distinguer une panoplie d'odeurs, mais ces récepteurs fonctionnent dans l'air, pas dans l'eau. (Ils sont différents des systèmes sensoriels sous-marins qu'utilisent les poissons comme les requins).

Sur terre, les odeurs flottent dans l'air, aidant les animaux à éviter les prédateurs et à trouver leur nourriture. Ce n'est pas le cas dans l'eau, et des études suggèrent que l'odorat est fortement réduit chez les cétacés. L'analyse des génomes d'un dauphin, d'un petit rorqual de l'Antarctique et d'une vache (très proche parent des cétacés) révèle que, par rapport à la vache, les cétacés ont beaucoup moins de gènes de récepteurs olfactifs (OR) intacts, qui régissent la capacité des mammifères à sentir.

On peut supposer que les cétacés ne tiraient aucun avantage de ces récepteurs, alors ils les ont perdus. Cela concorde avec les changements anatomiques. Les baleines à fanons comme les baleines à bosse ont des structures olfactives très réduites, et les baleines à dents comme les orques n'en ont pas du tout. Et il semble que le goût ne soit pas très utile non plus, si l'on avale un repas entier. Les cétacés ne possèdent plus les gènes permettant de percevoir les goûts aigre, sucré, umami ou la plupart des goûts amers.

Ils ne sont pas les seuls à avoir une expérience aussi fade des fruits de mer. D'autres mammifères marins, et même des non-mammifères, qui sont retournés à l'eau ont subi des pertes génétiques similaires. Les pingouins ont moins de gènes de récepteurs olfactifs intacts que les autres oiseaux aquatiques, et leurs gènes de récepteurs gustatifs suggèrent qu'ils ont perdu la capacité de percevoir le sucré, l'amer et l'umami, ne leur laissant que l'aigre et le salé. Takushi Kishida, généticien de l'évolution au Musée d'histoire naturelle et environnementale de Shizuoka, au Japon, a même constaté que les serpents de mer ont perdu plusieurs gènes de récepteurs olfactifs lorsqu'ils se sont remis à l'eau.

Non seulement il n'y a aucun moyen de sentir dans les profondeurs, mais il y fait sombre. Il n'est donc pas surprenant que les cétacés aient également modifié certains gènes de la vision. Les yeux de la plupart des mammifères sont dotés de capteurs de lumière appelés bâtonnets, qui permettent de voir dans des conditions de faible luminosité et sans couleur, ainsi que de deux types de cônes, l'un pour la lumière verte et l'autre pour la lumière bleue. (Au cours de l'évolution des cétacés, le gène des capteurs à bâtonnets s'est transformé pour devenir plus sensible à la lumière bleue, ce qui est parfait pour les profondeurs bleues d'encre. Puis, à plusieurs reprises, les animaux ont perdu un ou les deux cônes. Certains cétacés, comme les bélugas et les orques, conservent encore les cônes bleus. D'autres, comme les cachalots, ne possèdent aucun des deux cônes et ont donc une vision entièrement monochromatique.

Les scientifiques savent qu'ils ne font que commencer à sonder les profondeurs génétiques de l'évolution des cétacés. Aujourd'hui, avec des dizaines de génomes de cétacés disponibles pour l'étude et de nouvelles techniques d'analyse en cours de développement, ils sont prêts à sonder davantage la transition aquatique, ainsi que d'autres moments passionnants de l'histoire de l'évolution des cétacés. Les dauphins offrent à eux seuls une multitude de questions : Comment se sont-ils diversifiés en autant de types ? Ils représentent près de la moitié des espèces de cétacés actuelles. Comment les dauphins et d'autres baleines à dents ont-ils acquis la capacité d'écholocation, c'est-à-dire la capacité de naviguer dans l'océan grâce aux sons ? Et comment le cerveau des dauphins est-il devenu si grand, avec un rapport cerveau/corps qui rivalise avec celui des grands singes ?

"La plupart des problèmes importants ne sont toujours pas résolus", déclare Kishida.

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.