Cet article a été initialement publié sur La Conversation.
Les impacts humains sur les écosystèmes mondiaux peuvent être graves, étendus et irréversibles. Mais la vie sur Terre a évolué pour répondre aux défis environnementaux depuis 3,5 milliards d'années :ces mêmes forces évolutives pourraient-elles aider la vie sur Terre à persister dans des environnements modifiés par l'homme ?
Nos dernières recherches révèlent que l'évolution semble imparable lors d'une invasion biologique, mais s'arrête soudainement après un siècle d'adaptation rapide. Comprendre pourquoi cela se produit pourrait être la clé de la gestion de la biodiversité au cours du siècle prochain.
Face aux défis environnementaux, la sélection naturelle peut être une force puissante de changement évolutif à l'échelle contemporaine. Les pinsons des Galápagos développent différentes tailles de bec pour se nourrir de sources de graines changeantes, la morue surexploitée mûrit plus tôt et les plantes de la salicaire pourpre fleurissent plus tôt en réponse aux saisons de croissance plus courtes dans le nord de l'Ontario. Mais l'évolution a des limites.
Depuis près de 20 ans, j'étudie comment certaines espèces envahissent et prospèrent dans de nouveaux environnements. À l'Université Queen's, je continue de travailler avec des étudiants et des collaborateurs pour étudier l'évolution rapide de la nature.
Un thème émergent de ce travail est l'interaction entre la sélection naturelle et la contrainte évolutive.
L'adaptation à de nouveaux environnements nécessite de nouvelles variantes génétiques. La sélection naturelle peut promouvoir des gènes qui améliorent la survie et la reproduction. Mais sans nouvelles variantes, l'évolution adaptative stagnera.
Les contraintes sont la raison pour laquelle les espèces apparentées partagent des traits communs, et la raison pour laquelle les centaures, les sirènes et les dragons n'existent que dans la mythologie :aucun gène ne produit de sabots ou de queues de poisson chez les humains, ni d'ailes chez les grands reptiles. En limitant les options disponibles à la sélection naturelle, les contraintes évolutives sont la cause ultime de l'extinction.
En tant que contrepoids à la sélection naturelle, il est surprenant que les contraintes évolutives ne soient pas étudiées de manière aussi intensive. Mais il existe des outils expérimentaux pour cela.
L'expérience du jardin commun a été introduite il y a 100 ans mais elle reste l'étalon-or pour étudier la base génétique de l'évolution rapide.
Il s'agit de cultiver des individus génétiquement apparentés dans un environnement uniforme pour observer les différences génétiques dans la croissance et le développement. Dans notre laboratoire, des expériences de jardins communs avec la salicaire pourpre révèlent une danse délicate entre sélection naturelle et contrainte évolutive.
Salicaire pourpre ou Lythrum salicaria , est connue pour ses jolies fleurs rose-violet dans les zones humides envahies du Canada et des États-Unis. En l'espace de 150 ans, cette espèce s'est propagée du Maryland au nord jusqu'au Labrador et à la Saskatchewan, et au sud jusqu'au golfe du Mexique et au sud de la Californie.
La salicaire pourpre, comme d'autres plantes, a des ressources limitées à investir dans sa croissance ou sa reproduction. Certains gènes produisent des plantes plus grandes, d'autres produisent des plantes qui fleurissent plus tôt. Mais aucun gène ne fait les deux. Cela représente une contrainte génétique pour fleurir plus tôt ou grossir pour collecter plus de ressources.
Les plantes avec plus de ressources sont plus compétitives et peuvent produire plus de fleurs. Mais des ressources supplémentaires sont gaspillées si les fleurs sont produites trop tard dans la saison, lorsque les températures sont trop froides pour les pollinisateurs et le développement des graines pour assurer la transmission des gènes pour une croissance plus importante. Cet équilibre délicat donne une période de floraison optimale qui suit les changements dans la durée de la saison de croissance.
Alors, comment la sélection naturelle et les contraintes évolutives ont-elles façonné la période de floraison de la salicaire pourpre alors qu'elle se propageait à travers l'Amérique du Nord ? Nous ne pouvons pas voyager dans le temps, mais les collections d'histoire naturelle offrent un lien tangible avec le passé.
Des spécimens séchés de salicaire pourpre sont conservés à l'herbier Fowler de l'Université Queen's et dans des dizaines d'autres collections d'herbiers en Amérique du Nord. Le lieu et la date de la collecte sont enregistrés avec chaque spécimen soigneusement conservé.
À l'aide d'enregistrements météorologiques historiques, nous avons reconstruit les conditions de croissance locales de chaque spécimen pour prédire par ordinateur à quoi ressemblerait chaque plante si elle était cultivée dans des conditions de croissance uniformes :un jardin commun virtuel.
N'étant plus limités par des collections de graines viables, nous utiliserions le jardin commun virtuel pour reconstruire 150 ans d'évolution à travers l'Amérique du Nord.
Les résultats sont saisissants. Une floraison plus précoce évolue à plusieurs reprises en réponse à des saisons de croissance plus courtes en Amérique du Nord. Mais après environ un siècle, le taux d'évolution semble stagner, contraint par un compromis entre le temps de floraison et la taille. Ce type de stase évolutive est également observé dans les archives fossiles sur des échelles de temps beaucoup plus longues. Cela semble être une caractéristique commune de l'évolution.
Les contraintes sont une bonne raison d'être sceptique quant au fait que l'évolution sauvera les espèces de l'extinction dans des environnements stressants. Mais les contraintes rendent également l'évolution plus prévisible, du moins sur les échelles de temps les plus courtes les plus pertinentes pour la civilisation humaine.
Et ce n'est que le début - une seule espèce parmi des millions. Comment se joue l'équilibre entre sélection naturelle et contrainte chez d'autres espèces invasives ou en voie d'extinction ? Les collections d'histoire naturelle nous aident à comprendre le passé, à faire des prédictions sur notre avenir. Il est temps qu'ils reçoivent l'attention qu'ils méritent.
Robert I Colautti est professeur adjoint de biologie et titulaire de la chaire de recherche du Canada (niveau II) en évolution rapide à l'Université Queen's, en Ontario. Déclaration :Robert I Colautti reçoit des fonds de l'Université Queen's, du gouvernement de l'Ontario et de trois organismes subventionnaires fédéraux :le CRSNG, le CRSH et les IRSC.
