{"partition": "head_middle", "source_domain": "tomroud.owni.fr", "digest": "sha1:WNF7EJMGJKEBXS3BCGUIPBTQJPLMIM5C", "path": "/lustre/fsn1/projects/rech/qgz/uzq54wg/processed_redpajama/base_processing/output/fr/2014-15/000_00021.parquet"}
Matières Vivantes
Physique, biologie, évolution, et tout le reste !
« Music !
Picorages dans le rapport Attali »
Classique : l'évolution de l'oeil
L’un des problèmes les plus ardus soulevés par Darwin concerne l’évolution des structures complexes, telles que l’oeil.
Dans l’origine des espèces, Darwin, en scientifique honnête, reconnaît une difficulté …
that the eye … could have been formed by natural selection seems, I freely confess, absurd to the highest degree
que l’oeil … ait pu se former par simple sélection naturelle semble, je le confesse librement, absurde au plus haut degré
… pour mieux proposer un scenario :
Yet reason tells me, that if numerous gradations from a perfect and complex eye to one very imperfect and simple, each grade being useful to its possessor, can be shown to exist; (…) then the difficulty of believing that a perfect and complex eye could be formed by natural selection, (…) can hardly be considered real.
Pourtant, la raison me dit que si l’on peut montrer qu’il existe de nombreuses petites étapes entre un oeil imparfait et simple et un oeil parfait et complexe, chaque étape pouvant être utile à son possesseur; (…) alors la difficulté à croire qu’un oeil parfait et complexe ait pu se former par la sélection naturelle (…) peut être surmontée
L’idée sous-jacente est une progression très lente dans l’évolution, chaque étape apportant de nouveaux avantages à l’animal, allant successivement dans le même sens. Ce n’est pas idée si évidente : quand un organe est très complexe, il est difficile d’imaginer qu’un organe beaucoup moins complet ait pu effectuer exactement la même fonction en moins efficace (pensez par exemple à ce que pourrait être un coeur en moins efficace …). En 1994, Nilsson et Pelger ont attaqué ce problème, et ont rendu l’intuition de Darwin plus quantitative en proposant un scénario pour l’évolution de l’oeil.
Comment l’oeil a-t-il pu évoluer ?
En guise d’illustration, on pourra se reporter à ce petit film illustrant le scénario de Nilsson et Pelger. Nilsson et Pelger définissent une quantité qui sera améliorée au cours du temps par l’évolution et qui apportera un avantage sélectif aux animaux, ce qu’on appelle classiquement la “fitness”. Dans le cas de l’oeil, il s’agira de l’acuité visuelle de l’oeil, plus exactement la capacité à déterminer la direction des rayons lumineux. C’est une hypothèse assez forte : pendant des millions d’années, ils supposent que l’évolution a agi sur des yeux primitifs pour optimiser cette seule et unique fonction [1].
L’idée est alors de supposer qu’un organisme primitif disposait de cellules photosensibles en surface. La physique nous dit alors que les deux transformations suivantes améliorent l’acuité visuelle :
- soit créer une dépression pour invaginer les cellules photosensibles (en gros, gagner en profondeur de champ)
- soit réduire l’ouverture de l’oeil (pour faire un petit trou laissant passer un minimum de rayons lumineux pour chaque direction, comme le petit trou qu’on perce dans la chambre noire qu’on étudie au collège).
Nilsson et Pelger montrent que partant d’un oeil “plat”, il est bien plus efficace au début de créer une dépression pour mettre les cellules dans une cavité, jusqu’au moment où la “profondeur” de l’oeil est égale a sa largeur; à partir de ce moment, il est plus efficace de réduire la taille de l’ouverture par où passe la lumiere.
Le problème est que plus on réduit l’ouverture, moins il y a de la lumière qui passe dans l’oeil et plus l’image est bruitée : il existe donc une ouverture optimum de l’oeil pour laquelle il est impossible de gagner en acuité visuelle en changeant la forme de l’oeil. C’est le moment où une lentille devient nécessaire pour continuer à améliorer l’acuité. Nilsson et Pelger supposent que l’évolution agit pour modifier lentement l’indice de réfraction à la surface de l’oeil. Même une lentille de très mauvaise qualité accroît l’acuité visuelle : une très mauvaise lentille est toujours plus efficace que pas de lentille du tout. Ils montrent également que la lentille doit être au début ellipsoidale compte-tenu de la forme optimale de l’oeil à ce stade. Une fois qu’une lentille existe, on peut encore améliorer l’acuité visuelle en rendant l’oeil hémispherique et la lentille sphérique, comme on peut l’observer chez les poissons et les céphalopodes.
Résumé de la séquence :
cellules photosensibles -> invagination -> réduction de l’ouverture -> lentille -> lentille ellipsoidale-> lentille et oeil sphérique
Notez que le chemin pour aller vers un oeil “moderne” n’est pas direct : l’oeil converge d’abord vers une forme précise, puis on crée une lentille, et l’oeil et la lentille doivent de nouveau changer de forme ensemble pour maximiser l’acuité visuelle. La forme finale de l’oeil est contrainte par l’ évolution de la lentille (et n’est pas la forme intermédiaire sans lentille).
Nilsson et Pelger proposent alors une estimation du temps pour évoluer un oeil. En supposant un incrément de chaque quantité physique de 1% par étape (taille de l’oeil, invagination, etc …), ils comptent environ 1800 étapes pour passer des cellules photosensibles à un oeil moderne. En prenant en compte différents paramètres de l’ évolution, ils estiment qu’en réalité chaque paramètre change de 0.005 % par génération, soit “seulement” 400 000 générations pour évoluer un oeil complet, et autant d’années en supposant un temps typique de génération d’un an pour les animaux aquatiques. Cela explique qu’on puisse observer des yeux, structures complexes s’il en est, chez les animaux primitifs du Cambrien : une fois les cellules photosensibles acquises, la direction est tracée et l’évolution de l’oeil est extraordinairement rapide !
Pour conclure, ce travail est selon moi remarquable sur deux aspects :
d’abord il fournit un scénario d’évolution de l’oeil basé sur des considérations purement physiques. Ce scénario pourrait potentiellement être vérifé par l’observation de fossiles. De plus, il permet de “quantifier” plus précisément l’intuition de Darwin
d’un point de vue évolutif, il montre que des structures complexes ne demandent pas forcément beaucoup de temps pour évoluer. L’évolution est assez puissante pour façonner des organes fonctionnels très rapidement, ce qui explique notamment pourquoi certaines transitions évolutives sont si rapides…
Référence :
Nilsson & Pelger, A pessimistic estimate of the time required for an eye to evolve.Proc. Biol. Sci .1994 Apr 22;256(1345):53-8
[1] Ce n’est pas toujours le cas : on peut penser qu’une nouvelle fonction évolue en détournant l’usage d’une fonction existante. Un bon exemple est l’évolution de l’aile : l’aile des oiseaux ou des chauve-souris est une variation/réorganisation de la patte des animaux, alors que la fonction de l’aile n’a rien à voir avec la fonction de la patte.
par Roud	le Dimanche, janvier 20th, 2008 at 10:53 dans Classique, Physique, evolution.
suivre ce blog par le flux RSS 2.0
26 Responses to “Classique : l'évolution de l'oeil”
JF Says:
janvier 21st, 2008 at 2:09 ” d’abord il fournit un scénario d’évolution de l’oeil basé sur des considérations purement physiques. Ce scénario pourrait potentiellement être vérifé par l’observation de fossiles. ”
Des fossiles d’oeil (ou de tissus mous de façon générale), c’est mal barré…
all Says:
janvier 21st, 2008 at 2:59 Ce qui donnait la fièvre à Darwin quand il pensait à l’oeil était la profonde dissonance avec sa théorie, qu’il ne pouvait surmonter.
La théorie de l’évolution repose sur trois hypothèses et une conclusion :
Si les êtres vivants varient et que ces variations conditionnent leur capacité à survivre ;
Si parmi les espèces qui survivent, certaines d’entre elles produisent plus de descendances ;
Si les survivants transmettent leurs caractéristiques aux générations suivantes ;
Alors les caractéristiques qui les ont aidés à survivre deviendront de plus en plus communes au cours des générations.
On constate que l’oeil est présent chez toutes les espèces animales, depuis les premiers fossiles jusqu’à nos jours. Or la théorie nous dit que l’évolution est un chaos qui s’ordonne par l’effet du hasard : comment expliquer alors qu’on retrouve toujours l’oeil comme même résultat au hasard ?
Poser cette question est déjà se poser comme finaliste et monter sur le bucher avec les créationnistes.
“400 000 générations pour évoluer un oeil complet” = 400.000 mutations aléatoires qui aboutissent toujours au même résultat, à travers les âges et les espèces.
janvier 21st, 2008 at 3:13 @all: Il me semble que l’oeil n’est pas présent chez toutes les espèces animales. De plus, les yeux des sangsues, des méduses, des insectes et des humains sont très différents, allant du paquet de cellules photosensibles à l’oeil avec cristallin et cornée en passant par les yeux à facettes. Il y a donc eu convergence, qui s’explique par une raison simple: le monde visuel est plein d’informations utiles. Même certaines bactéries (non-photosynthétiques) ressentent la lumière! Ceci me fait penser qu’une grande partie du chemin évolutif était accomplie assez tôt, à savoir l’invention du photorecepteur moléculaire, et qu’il ne restait “plus qu’à ” inventer les cellules et la structure qui allaient autour.
janvier 21st, 2008 at 5:04 all: “comment expliquer alors qu’on retrouve toujours l’oeil comme même résultat au hasard ?”
Sélection, non ? Les 400 000 mutations ont pu conduire, ou ont conduit, à un nombre colossal de variations. Mais à chaque fois, seule la meilleure a été sélectionnée et les autres ont disparu, et on ne l’e voit pas. C’est un exemple classique de proba conditionelle : “100 % des gagnants ont tenté leur chance”
janvier 21st, 2008 at 5:56 @ JF qui a écrit “seule la meilleure a été sélectionnée et les autres ont disparu,”
Combien “d’autres”, qui représentent combien de tirages et combien de millions d’années faut-il pour gagner ? Pourquoi est-ce toujours l’oeil et l’image cérébrale qui sont le gros lot ?
On peut dire aussi que le mot “hasard” est l’expression de notre ignorance.
@ benjamin : tu fais un raisonnement circulaire, le “monde visuel” est apparu avec l’oeil et le système nerveux (si primitifs soient-ils) ; les informations (stimuli) disponibles dans l’environnement existent indépendamment et ne se résument pas aux longueurs d’onde de l’IR aux UV.