La diversification des mammifères s’est accélérée bien avant l’extinction des dinosaures

L'une des grandes questions de la biologie évolutive est de savoir pourquoi la biodiversité varie autant d'un groupe d'organismes à l'autre. La manière dont ces changements se produisent reste aujourd’hui débattue auprès des scientifiques. Quelles sont les principales hypothèses ?

Hélène Morlon : Le point de vue largement prédominant découle de celui du paléontologue G.G. Simpson, qui a postulé que la majeure partie de la biodiversité résulte d'une série de « radiations adaptatives ». En général, une radiation adaptative commence lorsqu'un organisme est capable de coloniser de nouvelles niches « vides », par exemple en développant un nouveau trait qui permet un nouveau mode de vie, ou en se dispersant sur un nouveau continent, ce qui offre des possibilités accrues de diversification.
Dans ce cas, des événements instantanés – à l'échelle géologique – et peu fréquents entraînent un changement dans le taux de diversification des espèces. Par exemple, le fait qu'il y ait plus de placentaires que de marsupiaux (1) pourrait s'expliquer par l'acquisition du placenta, une innovation clé qui a conféré un avantage évolutif. Par la suite, une grande partie du débat a porté sur l'influence relative des changements environnementaux ou de l'acquisition des nouveautés évolutives dans la création d'opportunités pour les radiations adaptatives.
 
Dans votre article, intitulé Imbalanced speciation pulses sustain the radiation of mammals et publié dans la prestigieuse revue Science, vous proposez un nouveau modèle qui fournit une caractérisation détaillée de la variation des taux de diversification chez les mammifères. Comment avez-vous construit ce nouveau modèle et en quoi est-il inédit ?

Ignacio Quintero : Les modèles précédents supposent que les changements dans le taux de diversification sont peu fréquents et se produisent instantanément dans le temps, tous les organismes descendants partageant le taux. Ce modèle représente le paradigme de la radiation adaptative dont nous avons parlé plus haut.
Au contraire, notre nouveau modèle permet à chaque espèce d'avoir des taux de diversification individuels qui évoluent dans le temps, ce qui permet une caractérisation plus flexible de la dynamique de diversification passée. Ainsi, en plus de détecter des modèles de radiation adaptative, il peut également détecter d'autres processus plus nuancés.

Comment l'intégration de données provenant à la fois d’espèces actuelles et éteintes, a-t-elle permis une meilleure représentation des événements évolutifs ?

Hélène Morlon : La capacité de combiner les informations fossiles et phylogénétiques est un atout, en particulier pour l'extinction, puisqu'il est difficile de l'estimer à partir des seuls organismes actuels. Les mammifères en particulier ont un riche registre fossile, et ce n'est que lorsque nous les avons inclus que nous avons pu retrouver une extinction massive à la limite Crétacé-Paléogène (limite K-Pg), il y a environ 66 millions d’années, ainsi que d'autres phases d'extinction importantes spécifiques à certains sous-groupes.

Votre étude montre que les mammifères, en particulier ceux qui possèdent un placenta, ont vu leur diversification accélérer bien avant l'extinction des dinosaures, ce qui contraste avec l'idée que les dinosaures ont limité la richesse des premiers mammifères. Qu’est-ce que cela révèle quant à l’importance de cet événement dans l’histoire de l’évolution ?

Ignacio Quintero : La limite Crétacé-Paléogène est marquée par l'une des cinq extinctions massives les plus destructrices qui ont remodelé la biosphère. Ce grave événement planétaire, qui a coïncidé avec l'impact d'un astéroïde, a provoqué une destruction massive : les dinosaures non aviaires et les ptérosaures ont disparu, de même que de nombreux oiseaux, mammifères, reptiles, insectes et plantes.
 

Hélène Morlon : Nos travaux révèlent un scénario plus complexe qu'un simple remplacement des dinosaures (non aviaires) par les mammifères, qui suppose implicitement qu'il existe une limite au nombre d'espèces, c'est-à-dire une limitation de la diversification imposée par la présence d’autres espèces. Au contraire, les mammifères ont connu un succès évolutif avec déjà un nombre important d'espèces alors même que les dinosaures les entouraient ; ceci fait échos au cas des oiseaux, qui semblent avoir connu un succès évolutif avant que les ptérosaures ne s'éteignent.

Plus largement, votre étude révèle que la richesse de la biodiversité dépend d’espèces connaissant des conditions optimales à un moment donné, dans un environnement donné. En quoi vos travaux infirment-ils – ou affirment-ils – les précédentes hypothèses ?

Hélène Morlon : Les chercheurs se sont efforcés d'identifier certains événements ponctuels qui expliquent pourquoi certains clades (2) comptent plus d'espèces que d'autres, en lien avec la prédominance de la théorie des radiations adaptatives. Cette tendance a été renforcée par l'absence de modèles mathématiques permettant d'interpréter différemment l'histoire de la diversification. Cependant, on sait depuis longtemps que les différences de richesse en espèces entre groupes d'organismes frères (i.e., issus du même ancêtre) ont lieu à toutes les échelles phylogénétiques. Par exemple, le clade des placentaires et des marsupiaux compte 6635 espèces, contre 5 espèces pour l'ornithorynque et ses proches. Alors que ce déséquilibre à travers les échelles phylogénétiques ne peut émerger selon le paradigme précédent, il émerge naturellement de notre modèle.

En quoi ces résultats et plus largement vos recherches, pourraient-ils, à terme, contribuer à mieux affronter les grands défis environnementaux actuels ? Votre modélisation permet-elle de prédire les futurs phénomènes de spéciation ?

Ignacio Quintero : La spéciation est en général un processus lent. Pour donner un ordre de grandeur, on estime qu’il y a en moyenne un événement de spéciation par espèce chaque million d'années. On ne peut donc pas compter sur les spéciations futures pour faire face à la crise actuelle de la biodiversité.
Par contre, si on veut mettre en place des modèles de la biodiversité qui permettent de faire des prédictions futures dans un contexte de bouleversements environnementaux, même à des échelles de temps beaucoup plus courtes, de l'ordre de la dizaine ou centaine d’années, que les échelles de temps géologiques que nous considérons, de l’ordre du million d’années, on ne peut ignorer l’histoire évolutive des espèces.
Par exemple, si un groupe d’espèces a été capable de s’adapter beaucoup plus rapidement qu’un autre à des changements environnementaux dans le passé, il aura très certainement plus de facilité à s’adapter également aux changements actuels, même si ceux-ci sont assez différents des changements passés. Nos recherches permettent de donner cette perspective aux modèles prédictifs de la biodiversité.  

Quelles vont être les prochaines étapes de vos recherches ?

Hélène Morlon : Notre modèle semble mieux décrire le processus de diversification du vivant, mais n'identifie pas les processus sous-jacents. Nous sommes en train de développer des modèles capables de détecter si certains traits des espèces et environnements ont joué un rôle déterminant dans l’hétérogénéité que nous observons dans les taux de diversification. Nous commençons aussi à développer des modèles de spéciation qui permettent d’avoir des attendus théoriques sur la façon dont les taux de spéciation dépendent de paramètres clés tels que la taille des populations, ou encore les taux de mutation et de migration.

(1)    Lors de la gestation, la majorité de marsupiaux ne produisent pas de placenta et leurs petits naissent dans un état de développement rudimentaire, appelé larve marsupiale.
(2)    Dans la classification des êtres vivants, un clade regroupe un ancêtre et tous ses descendants. Un clade représente ainsi un groupe d’espèces.

Bibliographie

-    Imbalanced speciation pulses sustain the radiation of mammals, Ignacio Quintero (Institut de Biologie de l’ENS (IBENS), Département de Biologie, École normale supérieure, CNRS, INSERM, Université PSL), Nicolas Lartillot (Université Claude Bernard Lyon 1, CNRS, VetAgroSup, LBBE, UMR 5558, F-69100 Villeurbanne, France) et Hélène Morlon (Institut de Biologie de l’ENS (IBENS), Département de Biologie, École normale supérieure, CNRS, INSERM, Université PSL), Science, 30 mai 2024, DOI: 10.1126/science.adj2793

-    Les mammifères ont commencé à se diversifier bien avant l’extinction des dinosaures, CNRS, 25 juin 2024