Hayes Baxley/National Geographic pour Disney+
Il y a environ 400 millions d’années, l’ancêtre de toutes les créatures à quatre membres 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 a fait volte-face : il est retourné dans l’eau. Avec le temps, les créatures de retour à la mer donneraient naissance à des animaux très différents de leurs parents terrestres : ils sont devenus les magnifiques baleines, dauphins et marsouins qui glissent à travers les océans aujourd’hui.
Redevenir aquatique était une décision radicale qui allait changer les animaux à l’intérieur et à l’extérieur, en l’espace d’environ 10 millions d’années – un clin d’œil en termes d’évolution. Les membres de ce groupe, maintenant appelés cétacés, ont abandonné leurs membres postérieurs pour de puissants douves et ont perdu presque tous leurs poils. Pendant des décennies, leurs plans corporels bizarres ont laissé les paléontologues perplexes, qui ont émis l’hypothèse qu’ils pourraient provenir de créatures aussi variées que les reptiles marins, les phoques, les marsupiaux comme les kangourous et même un groupe maintenant éteint de carnivores ressemblant à des loups.
« Les cétacés sont dans l’ensemble les mammifères les plus particuliers 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 qui a engendré des vaches, des cochons et des chameaux – une branche appelée Artiodactyla. Des fossiles de l’Inde et du Pakistan modernes ont ensuite étoffé cet arbre généalogique, identifiant les anciens parents les plus proches des cétacés comme de petites créatures ressemblant à des cerfs.
Mais leurs plans corporels ne sont que le début de l’étrangeté 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. Beaucoup de ces changements ne sont pas évidents dans les fossiles, et les cétacés ne sont pas facilement étudiés en laboratoire. Au lieu de cela, c’est encore une fois la génétique qui les a mis au jour.
Avec une disponibilité croissante de génomes de cétacés, les généticiens peuvent désormais rechercher les changements moléculaires qui ont accompagné le retour à l’eau. Bien qu’il soit impossible d’être certain de l’influence d’une mutation particulière, les scientifiques soupçonnent que bon nombre de celles qu’ils voient correspondent à des adaptations qui permettent aux cétacés de plonger et de prospérer dans la mer d’un bleu profond.
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 composent un génome, ces gènes disparus sont parmi les changements les plus faciles à détecter. Ils se détachent comme une phrase brouillée ou fragmentée, et n’encodent plus une protéine complète.
Une telle perte pourrait se produire de deux manières. Peut-être que le fait d’avoir un gène particulier était en quelque sorte préjudiciable aux cétacés, de sorte que les animaux qui l’ont perdu ont gagné un avantage de survie. Ou il pourrait s’agir d’une situation «l’utiliser ou le perdre», explique le génomique Michael Hiller de l’Institut de recherche Senckenberg à Francfort, en Allemagne. Si le gène n’avait aucune utilité dans l’eau, il accumulerait au hasard des mutations et les animaux ne seraient pas plus mal lotis lorsqu’il ne fonctionnerait plus.
Hiller et ses collègues ont plongé dans la transition vers 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, a rapporté l’équipe dans Avancées scientifiques en 2019. Dans de nombreux cas, dit Hiller, ils pouvaient deviner pourquoi ces gènes avaient disparu.
Par exemple, les cétacés ne possèdent plus un gène particulier…SLC4A9—participe à 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’elles ne pouvaient pas faire surface pour respirer si elles éteignaient leur cerveau pendant des heures d’affilée. Les cétacés modernes dorment un hémisphère cérébral à la fois, l’autre hémisphère restant alerte. « Si vous n’avez plus le sommeil régulier tel que nous le connaissons, alors vous n’avez probablement pas besoin de mélatonine », déclare Hiller.
Les longues périodes pendant lesquelles les baleines doivent retenir leur souffle pour plonger et chasser semblent également avoir stimulé des changements génétiques. Plonger en profondeur, comme le savent les plongeurs, signifie que de petites bulles d’azote peuvent se former dans le sang et les caillots de graines, ce qui a probablement nui aux premiers cétacés. Il se trouve que deux gènes (F12 et KLKB1) qui aident normalement à déclencher la coagulation sanguine ne sont plus fonctionnels chez les cétacés, ce qui réduit vraisemblablement ce risque. Le reste de la machinerie de coagulation reste intact, de sorte que les baleines et les dauphins peuvent encore sceller les 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 est également lié aux plongées profondes. Lorsque les cétacés viennent respirer, l’oxygène inonde soudainement leur circulation sanguine et, par conséquent, les molécules d’oxygène réactives qui peuvent briser l’ADN. L’enzyme manquante, l’ADN polymérase mu, répare normalement ce type de dommage, mais elle le fait de manière négligente, laissant souvent des mutations dans son sillage. D’autres enzymes sont plus précises. Peut-être, pense Hiller, mu était tout simplement trop bâclé pour le mode de vie des cétacés, incapable de gérer le volume de molécules d’oxygène réactif produites par la plongée et le resurfaçage constants. Laisser tomber l’enzyme inexacte et laisser le travail de réparation à des enzymes plus précises que les cétacés possèdent également peut avoir 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 d’autres mammifères aquatiques sont souvent parallèles à celles des baleines et des dauphins. Par exemple, les cétacés et les lamantins ont désactivé un gène appelé MMP12, qui dégrade normalement la protéine pulmonaire extensible appelée élastine. Peut-être que cette désactivation a aidé les deux groupes d’animaux à développer des poumons hautement élastiques, leur permettant d’expirer et d’inhaler rapidement environ 90 % du volume de leurs poumons lorsqu’ils font surface.
Cependant, les adaptations profondes ne concernent pas uniquement la perte. Un gain notable est dans le gène qui porte les instructions pour la myoglobine, une protéine qui fournit de l’oxygène aux muscles. Les scientifiques ont examiné les gènes de la myoglobine chez les animaux plongeurs, des minuscules musaraignes aquatiques jusqu’aux baleines géantes, et ont découvert un schéma : chez de nombreux plongeurs, la surface de la protéine a une charge plus positive. Cela ferait en sorte que les molécules de myoglobine se repoussent comme deux aimants nord. Ceci, soupçonnent les chercheurs, permet aux mammifères plongeurs de maintenir des concentrations élevées de myoglobine sans que les protéines ne se mélangent, et donc des concentrations élevées d’oxygène musculaire lorsqu’ils plongent.