Nous devons tous jouer le jeu de la vie avec les cartes qui nous sont distribuées, selon l’aphorisme commun. En biologie, cela signifie que les organismes doivent rivaliser par sélection naturelle avec les gènes et l’anatomie avec lesquels ils sont nés.
Mais le dicton est un mensonge.
D’accord, ce n’est pas exactement un mensonge, mais la recherche moderne suggère que le jeu de la vie est bien plus compliqué que prévu. Il existe des possibilités d’échanger des cartes et même de voler les mains d’autres joueurs.
Des chercheurs de l’UC Santa Barbara ont étudié les effets de cette stratégie, en particulier la capacité d’acquérir des voies métaboliques. Les scientifiques ont découvert que l’adoption d’un autre métabolisme peut avoir des conséquences concurrentielles majeures, avec des ramifications sur l’évolution et l’écologie d’une espèce. Les résultats paraissent dans le journal Écologie.
Le terme «métabolisme» englobe toutes les réactions chimiques qui ont lieu dans un organisme afin de maintenir la vie. Pour les animaux, cela inclut les rouages de processus comme la respiration, la digestion, le mouvement, etc. Un métabolisme acquis est une voie métabolique qui n’est pas codée dans l’ADN d’un organisme.
Les exemples de métabolismes acquis abondent dans la nature. Certains sont familiers, comme les microbes dans l’intestin d’une vache qui lui permettent de digérer la cellulose. D’autres sont plus courants mais moins connus. Par exemple, considérez les champignons symbiotiques qui aident les plantes à extraire les minéraux du sol. Et puis il y a des métabolismes acquis vraiment inhabituels, comme les limaces de mer qui volent les chloroplastes de leur nourriture pour pouvoir photosynthétiser.
Alors que les métabolismes acquis sont bien attestés dans la littérature, les recherches antérieures ont principalement considéré ses interactions avec les facteurs environnementaux. Le groupe UC Santa Barbara a étudié leur rôle dans la croissance et la dynamique communautaire, en se concentrant sur la phototrophie acquise, comme celle de la limace de mer. « Nous voulions vraiment comprendre si cette phototrophie acquise donnerait ou non à un organisme un avantage concurrentiel », a déclaré l’auteur principal Veronica Hsu, qui a terminé l’étude en tant qu’étudiant de premier cycle.
Les auteurs ont considéré deux eucaryotes unicellulaires (organismes dont les cellules contiennent un noyau). Le premier, une espèce du genre Colpidium, se nourrit de microbes plus petits. La deuxième, Bourse paraméciepartage le régime alimentaire de son homologue, mais avait également acquis la capacité de photosynthèse à un moment donné dans le passé.
Les chercheurs ont analysé les deux microbes sous quatre conditions lumineuses différentes. Colpidium s’entendait bien, peu importe le cadre; cependant, P. bourse s’en est bien mieux sorti dans des conditions plus lumineuses, où il a pu tirer parti de sa capacité unique.
Ensuite, les scientifiques ont opposé les microbes les uns aux autres. Ils ont observé un gradient d’avantage concurrentiel à travers différents niveaux de lumière. Dans le noir, Colpidium surpassé P. bourse. Pendant ce temps, dans des conditions lumineuses, P. bourse dominé.
« Je pense que cela revient à cette idée que vous ne pouvez pas être bon en tout », a déclaré la co-auteure Holly Moeller, professeure adjointe au Département d’écologie, d’évolution et de biologie marine. L’adaptation à un métabolisme acquis aurait pu se faire au détriment de P. les bourses prouesses de chasse. Mais à des niveaux de luminosité élevés, le coup de pouce de la photosynthèse compense largement ce handicap.
Remarquablement, les deux microbes ont pu coexister dans des conditions de lumière intermédiaires. P. les bourses phototrophie acquise lui a permis d’éviter la concurrence directe avec Colpidium dans ce que les scientifiques appellent le « partitionnement de niche ».
Les résultats démontrent que la symbiose et le métabolisme acquis peuvent affecter considérablement la dynamique communautaire. « L’expansion de votre répertoire métabolique a des implications en cascade sur la façon dont vous pouvez gagner votre vie et sur la mesure dans laquelle vous allez écarter d’autres organismes », a déclaré Moeller.
Les chercheurs se sont ensuite tournés vers le fidèle modèle Lotka-Volterra pour décrire ce dont ils avaient été témoins. Ce modèle est incroyablement simple et polyvalent, offrant aux biologistes un système capable de capturer tous les résultats possibles de la compétition. Développé il y a plus de 100 ans, il est devenu une norme incontournable pour les cours d’introduction à la biologie jusqu’à la recherche évaluée par des pairs.
Et pourtant, ce système solide ne pouvait pas saisir la subtilité introduite par P. les bourses phototrophie acquise et le cycle de rétroaction qu’elle a créé. L’équipe a dû développer son propre système d’équations qui expliquait explicitement ces nuances. « Il existe de nombreuses façons différentes d’essayer d’expliquer les résultats des compétitions », a déclaré Hsu, « et je pense que cela met en lumière l’importance du métabolisme. »
Il est important d’étudier comment les métabolismes acquis influencent l’évolution et l’écologie car ils sont une partie fondamentale de la vie sur Terre. Par exemple, nous pensons généralement à la photosynthèse comme une caractéristique des plantes. « Mais c’est aussi une acquisition ancienne », a déclaré Moeller. « Ils ont hérité leurs chloroplastes d’un ancêtre eucaryote qui a domestiqué une cyanobactérie. »
« Les mitochondries sont également acquises à partir de bactéries », a ajouté Hsu. En fait, ces deux organites ont leur propre ADN, séparé du génome nucléaire d’une cellule.
« C’est ainsi que les eucaryotes jouent au jeu depuis environ 2 milliards d’années », a fait remarquer Moeller. Et nos homologues plus simples, les procaryotes, se livrent sans doute à encore plus d’échanges de cartes biologiques. Beaucoup sont capables de partager directement l’ADN dans un processus connu sous le nom de « transfert horizontal de gènes ».
Le groupe de Moeller continuera d’étudier les implications des métabolismes acquis. Ils sont particulièrement curieux du passage de l’hétérotrophie (obtenir de la nourriture de l’extérieur) à l’autotrophie (produire soi-même de la nourriture), en particulier la photosynthèse. « Nous essayons de comprendre ce qui fait sauter ces formes de métabolisme autour des extrémités des branches de l’arbre de vie », a-t-elle déclaré.
Moeller prévoit d’utiliser des modèles mathématiques pour étudier ces transitions en plus de rechercher des études de cas réels. Et les expériences futures impliqueront des microbes plus étroitement liés les uns aux autres, permettant à l’équipe de contrôler davantage de variables. « Les expériences nous aident à construire de meilleurs modèles », a-t-elle déclaré, « tandis que les modèles nous aident à mieux comprendre ce qui s’est passé dans les expériences ».
Plus de recherche est certainement la bienvenue. Parce que, dans ce coin alambiqué de la biologie, au moins une chose est devenue tout à fait claire : nous aurions une écologie moins dynamique et moins complexe sur cette planète si les organismes ne pouvaient jouer qu’avec les cartes qui leur sont distribuées.
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