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 singuliers 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 étant 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. Bien qu’il soit 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 le grand bleu.
Plonger dans les profondeurs
Les premiers cétacés ont perdu bien plus que des pattes lorsqu’ils sont retournés dans 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 ressortent 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 de survie. Ou bien il pourrait s’agir d’une situation du type « on s’en sert ou on le perd », explique le génomiste Michael Hiller de l’Institut de recherche Senckenberg à Francfort, en Allemagne. 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.
Hiller et ses collègues se sont penchés sur 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. Science Advances en 2019. Dans de nombreux cas, dit Hiller, ils ont pu deviner pourquoi ces gènes sont devenus défectueux.
Par exemple, les cétacés ne possèdent plus un gène particulier-SLC4A9-impliquée dans la fabrication de la salive. C’est logique : A quoi bon cracher quand votre 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 longues périodes de temps pendant lesquelles les baleines doivent retenir leur souffle pour plonger et chasser semblent également avoir stimulé les changements génétiques. Plonger en profondeur, 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. Il se trouve que 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 colmater les blessures.
Un autre gène perdu – et celui-ci a surpris Hiller – code 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 réactives de l’oxygène qui peuvent briser l’ADN. 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 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 laissant 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 MMP12qui dégrade normalement la protéine pulmonaire extensible appelée élastine. Cette désactivation a peut-être aidé les 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 de 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.