Comment les espèces animales s'adaptent à vivre en ville ?

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

Il est possible que les rats bruns de New York aient, par l’évolution, des rangées de dents plus petites. Les petits poissons de l'est des États-Unis se sont adaptés pour prospérer dans les eaux urbaines polluées. Partout dans le monde, les êtres vivants évoluent différemment dans les villes et dans les campagnes environnantes.

C'est le cas des plantes : Le trèfle blanc du centre-ville de Toronto est moins susceptible que le trèfle des zones rurales environnantes de produire un cyanure qui dissuade les herbivores - une tendance qui se reflète dans les villes de nombreux pays, selon une nouvelle étude. Et cela se passe chez les oiseaux : Les oiseaux chanteurs d'Europe et les hiboux d'Argentine montrent des signes de sélection naturelle dans les gènes associés à la cognition.

Tous sont des exemples d'évolution urbaine : des changements génétiques qui peuvent aider les êtres vivants à s'adapter à la vie dans les grandes villes. "Une ville modifie radicalement un environnement. Elle crée un écosystème totalement nouveau", explique Marc Johnson, écologiste évolutionniste à l'université de Toronto Mississauga.

La ville est également l'écosystème qui connaît la croissance la plus rapide de la planète, puisqu'elle abrite plus de la moitié de la population mondiale. Il n'est donc pas surprenant que l'étude de l'évolution des espèces en milieu urbain, un domaine qui existait à peine au début du millénaire, soit désormais au centre des préoccupations de nombreux laboratoires de biologie.

Les villes peuvent servir de banc d'essai pour répondre à des questions de longue date sur l'évolution. Des populations différentes d'une même espèce évoluent-elles de manière similaire lorsqu'elles sont confrontées aux mêmes pressions environnementales ? Et différentes espèces vivant dans les mêmes endroits développent-elles des caractéristiques similaires ?

Selon M. Johnson, de nombreux facteurs environnementaux sont similaires dans des milliers de villes : des températures plus élevées, la pollution et des habitats fragmentés par les immeubles et les routes. Mais les villes diffèrent également par leur âge, la quantité d'espaces verts, le climat, etc.

"Vous pouvez examiner ces similitudes et ces différences et commencer à vous demander comment cela peut conduire à l'évolution". dit Johnson.

L'observation de la façon dont les créatures réagissent à la vie urbaine peut également aider à améliorer la gestion de la conservation ou la lutte contre les parasites, et à concevoir des villes dotées d'écosystèmes fonctionnels, plus robustes sur le plan environnemental et plus agréables à vivre.

Et l'évolution urbaine pourrait donner des indications sur notre monde futur. "Les villes sont en quelque sorte la clé pour comprendre les réponses au changement climatique mondial", explique Sarah Diamond, écologiste évolutionniste à la Case Western Reserve University de Cleveland, dans l'Ohio, et coauteur d'un article sur la recherche en matière d'évolution urbaine dans la Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics. "Vous pouvez voyager dans le temps. Vous pouvez dire : "Cette ville vous indique le réchauffement climatique global que nous attendons d'ici 2050, 2070 ou 2100".

Les gens ont souvent l'impression que la vie en ville est éloignée de la nature, explique Colin Garroway, écologiste évolutionniste à l'Université du Manitoba à Winnipeg. "Mais les villes sont la nature".

Regarder dans nos arrière-cours

L'exemple le plus connu d'évolution urbaine est probablement celui de la mite poivrée anglaise, dont la coloration s'est assombrie au XIXe siècle en réponse à la pollution par le charbon. Dans un célèbre article de 1955, le généticien britannique Bernard Kettlewell a démontré qu'il s'agissait d'un cas de sélection naturelle, l'obscurité aidant les papillons à échapper à la prédation des oiseaux lorsqu'ils se reposaient sur les troncs d'arbres couverts de suie.

Mais le domaine de l'écologie évolutive urbaine est resté minuscule jusqu'à récemment : "La plupart des biologistes évolutionnistes ne voudraient pas mourir dans une ville", déclare Johnson. Cela a commencé à changer avec la croissance rapide des études d'écologie urbaine dans les années 1990 et s'est accéléré avec la découverte de cas d'évolution étonnamment rapides, comme les populations de lézards des Caraïbes qui ont affiché une plus grande surface de coussinets, cruciale pour s'accrocher aux surfaces, après deux ouragans majeurs en 2017.

Le fait que les professeurs de biologie évolutive soient généralement employés dans des universités urbaines et curieux de ce qui se passe dans leur arrière-cour a aidé. "Ces dynamiques se produisent tout autour de vous", déclare Ryan Martin, écologiste évolutionniste à Case Western Reserve et coauteur avec Diamond de l'article des Annual Reviews. "Sortez et regardez dans votre jardin, et vous verrez un tas de pollinisateurs indigènes qui évoluent tous vraisemblablement en réponse à ces changements dans la ville..... Vous n'avez pas besoin de faire quoi que ce soit de spécial pour voir ces dynamiques cool ; vous sortez de chez vous."

La puce d'eau Daphnia magna - un crustacé d'eau douce dont la taille ne dépasse pas quelques millimètres - est une espèce qui évolue dans les villes en réponse à la chaleur, à la pollution et même aux prédateurs locaux. Ces zooplanctons peuvent empêcher la prolifération d'algues qui surchargent les étangs de cyanobactéries toxiques. Cette adaptation pourrait donc avoir un effet important sur les écosystèmes d'eau douce, explique Kristien Brans, écologiste évolutionniste à la KU Leuven en Belgique, qui étudie les puces d'eau.

L'un des principaux défis de ce type d'études urbaines consiste à distinguer deux modes de réponse à des environnements modifiés : l'évolution (altérations génétiques apparaissant au fil des générations) et la plasticité phénotypique (flexibilité permettant de modifier les caractéristiques physiques et/ou comportementales au cours de la vie d'un organisme).

Pour les puces d'eau, il s'avère que les deux sont en jeu. Les puces élevées en laboratoire à des températures correspondant à celles des étangs urbains sont plus petites, arrivent à maturité et se reproduisent plus rapidement que les puces élevées dans des étangs ruraux dont la température est généralement inférieure de plusieurs degrés. (C'est la plasticité phénotypique - aucune modification génétique n'a eu lieu.) Mais au fil du temps, les puces d'eau urbaines vivant génération après génération dans des étangs urbains plus chauds ont génétiquement changé pour présenter ces mêmes types d'altérations. (C'est l'évolution.)

Dans un article de 2017, par exemple, Brans et ses collègues ont pris des populations de puces d'eau provenant de divers habitats - certains plus ruraux et d'autres plus urbains - et les ont élevées pendant de nombreuses générations avant de tester leur capacité à survivre dans une eau à température urbaine et une eau à température rurale. Les puces prélevées dans les étangs urbains ont affiché une plus grande tolérance à la chaleur dans les étangs chauds que celles prélevées dans les étangs ruraux, ainsi qu'une taille corporelle plus petite et d'autres changements.

Une étude de suivi publiée en 2018 a montré que les daphnies urbaines ont des concentrations significativement plus élevées que les puces d'eau rurales de graisse corporelle totale, de protéines et de sucres, des changements de traits qui sont associés à des stress de manipulation tels que la chaleur ainsi qu'à des cycles de vie plus rapides.

Brans et ses collègues ont également découvert récemment que les puces d'eau urbaines sont plus susceptibles que leurs cousines rurales de survivre à l'exposition à un pesticide commun, et que les populations de daphnies présentent des adaptations génétiques différentes aux pesticides selon qu'elles vivent dans des étangs entourés de fermes conventionnelles, de fermes biologiques ou de réserves naturelles. Lors de tests en laboratoire, des puces d'eau prélevées dans des étangs entourés de terres agricoles conventionnelles ont montré une plus grande résistance à un pesticide appelé chlorpyrifos, couramment utilisé dans ces exploitations. Les puces situées à proximité de fermes biologiques étaient plus résistantes à deux pesticides autorisés dans l'agriculture biologique.

En remontant la chaîne alimentaire, Brans et ses collègues ont la preuve que les puces d'eau urbaines et les insectes prédateurs qui les mangent - les demoiselles - évoluent de concert. Les larves de demoiselles urbaines sont bien meilleures que les larves de demoiselles rurales pour rencontrer et engloutir les puces d'eau rurales, par exemple. Mais elles ont plus de mal à s'attaquer aux puces urbaines. En d'autres termes, lorsque les populations rurales ou urbaines de demoiselles et de puces sont appariées, il semble y avoir plus d'équilibre - comme on pourrait s'y attendre si deux populations évoluent au même rythme.

Brans étudie également comment les microbes qui vivent dans l'intestin des daphnies diffèrent entre la ville et la campagne. Ces communautés microbiennes - ou microbiomes - déterminent ce que les puces d'eau peuvent manger, et certains génotypes de puces favorisent les microbiomes qui permettent aux puces de digérer les cyanobactéries toxiques qui peuvent envahir les étangs.

Une adaptation réussie, ou peut-être pas

Les fourmis à gland sont un autre exemple d'évolution urbaine adaptative. Avec des colonies si petites qu'elles peuvent vivre à l'intérieur d'un seul gland, elles sont faciles à étudier. ("Mettez-les dans un petit gobelet en plastique avec de l'eau sucrée et un petit ver de farine mort et elles sont totalement heureuses", dit Martin). Martin et Diamond ont constaté que les colonies de Cleveland, dans l'Ohio - dont les températures du centre-ville sont en moyenne 4 degrés Celsius plus élevées toute l'année que celles des zones rurales - ont une tolérance à la chaleur plus élevée mais une tolérance au froid plus faible que les fourmis des zones rurales. "Nous sommes convaincus que cela est dû à des différences génétiques sous-jacentes", déclare Martin.

Les rats bruns de Manhattan offrent un autre exemple d'évolution urbaine, même si cette évolution ne confère pas nécessairement d'avantages à ces créatures mal aimées. Jason Munshi-South, écologiste de l'évolution à l'université Fordham de New York, et ses collègues ont analysé les génomes de 262 rats et ont constaté que les animaux ont évolué vers des profils génomiques distincts dans différents quartiers. Les scientifiques pensent que cela est dû au fait que les populations de rats ne se déplacent pas librement entre ces endroits et que, lentement, avec le temps, elles accumulent des différences.

Qu'est-ce qui les sépare ? Selon les scientifiques, le centre de Manhattan pourrait agir comme une sorte de barrière souple entre le Lower et l'Upper Manhattan, car il est moins résidentiel (fournissant moins de nourriture) et fait l'objet d'intenses efforts de dératisation. Les routes et les voies navigables peuvent également diviser génétiquement les populations de rats, selon des études menées à la Nouvelle-Orléans, à Salvador au Brésil et à Vancouver au Canada, où les rats présentent également des variations génétiques selon les quartiers.

De telles connaissances pourraient s'avérer utiles pour concevoir des mesures visant à supprimer les populations de rats. "Si l'on comprend comment les rats se déplacent et ce qui facilite ou empêche leurs déplacements, on peut diviser la ville en unités plus faciles à gérer pour lutter contre les rongeurs", explique Mme Munshi-South.

D'autres changements chez les rats peuvent être adaptatifs. Le laboratoire de Mme Munshi-South a la preuve que la sélection naturelle modifie le crâne des rats de sorte qu'ils ont un nez plus long et des dents plus courtes. Selon les scientifiques, il pourrait s'agir d'adaptations à des environnements plus froids et à un régime alimentaire composé de restes humains. Des changements similaires au niveau des dents ont été observés chez les souris à pieds blancs des villes, il pourrait donc s'agir d'un phénomène général chez les rongeurs des villes, explique Mme Munshi-South.

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