Evolution Chap5

Dieu a-t-il une passion démesurée pour les insectes ?
Virgine & Fréderic S.

Dieu a-t-il une passion démesurée pour les insectes?

Voilà ici une question quelque peu provocante dans un livre traitant de l'évolution. On pourrait en effet se demander s'il n'y aurait pas une forme d'intelligence surnaturelle qui aurait créé la multitude des insectes que nous pouvons observer aujourd'hui. Lors de l'observation d'une phyllie, nous ne pouvons nous empêcher de penser à l'existence d'un créateur surnaturel, tant cette dernière ressemble à une feuille de goyavier, sa plante hôte. Ses œufs même, ressemblent à des graines, et la ressemblance est si parfaite que certaines fourmis constructrices de silos les emportent dans leur fourmilières où ces derniers trouveront protection et chaleur à l'insu de leur hôte. On ne peut rester de marbre devant l'émergence d'un papillon de sa chrysalide ni devant la beauté d'une termitière, la première citée construite par un animal. On ne peut cesser de s'émerveiller devant la fabuleuse diversité des insectes qui en 27 ordres, représentent à eux seul le 75% des espèces vivantes et qui colonisèrent tous les habitats possibles de notre planète, du désert le plus chaud à la grotte la plus profonde en passant par les endroits les plus intimes de notre corps. On ne peut continuer de s'étonner devant la guerre perpétuelle que se livrent les insectes et les plantes d'un côté, mais aussi leur interdépendance de l'autre. Ce sont les premiers animaux à avoir colonisés la terre ferme mais se serra aussi les derniers à la quitter. Et pourtant, il est tout à fait possible d'expliquer toute cette perfection par l'évolution. Voilà le but de ce chapitre.

Pourquoi y a-t-il autant d'insectes sur Terre?

Nous ne connaissons qu'un nombre très approximatif concernant la totalité des espèces d'insectes, il repose notamment sur le travail effectué par Terry Erwin. Cet entomologiste américain fit en 1980 une estimation quantitative de la biodiversité contenue dans la canopée des forêts tropicales, c'est-à-dire la partie des espèces vivant dans la partie supérieure des arbres, en contact direct avec l'atmosphère dit "libre". C'est une zone de la forêt particulièrement riche en terme de biodiversité. Ce scientifique a usé des certaines techniques dont une particulièrement radicale: il choisit une espèce d'arbre, en prit 19 individus qu'il asperge d'un insecticide ayant une action rapide. Il finit par récolter au moyen de bâches les insectes qui en tombèrent. Il put ainsi recenser les espèces sur cette espèce d'arbre, puis multiplier ce nombre par le nombre d'espèce d'arbres qui se trouve dans la forêt tropical. Il faut bien conserver à l'esprit que cette estimation ne concerne que la canopée, lui doit être ajouté celle concernant le sol. Au final, l'estimation totale se situe aux alentours de 30 millions d'Arthropodes vivant dans les forêts tropicales.

Comment se fait-il qu'il y ait autant d'espèces d'insectes? Il faut savoir que cinq grandes extinctions se sont succédé dans l'histoire des être vivants, faisant pour chacune d'elles disparaître 75% des espèces sur terre. Seulement jamais les insectes n'ont été présents dans ce nombre. De plus, quatre grandes bouffées évolutives se sont produites qui ont fait des insectes les êtres les plus représentés sur terre. Ces quatre étapes ont été des mutations qui ont modifié les insectes à savoir, l'apparition de l'exosquelette, de l'aile, du stade chrysalide et l'interaction entre les plantes et les insectes. De plus ces grandes extinctions laissèrent le champ libre aux insectes qui purent coloniser leur guise les espaces laissés ainsi libres.

L'apparition de exosquelette a permit la sortie de l'eau aux insectes, dont nous vous parlons dans la question "Comment s'est effectué la sortie de l'eau des Insectes?". Rapidement, l'avancée de cette mutation se situe dans la protection qui est offerte à l'organisme et qui lui a permit de sortir de l'eau. C'est une mutation qui s'est conservée des crustacés. Ensuite, l'aile a permit aux insectes de coloniser de nouveaux horizons, et cela est tout à fait normal que ce soit une mutation qui s'est conservée, au vu des énormes avantages qu'elle donne aux organismes. La mutation qui a amené les insectes à passer lors de leur vie par un stade de chrysalide est elle aussi importante. La métamorphose peut être incomplète ou complète, mais quel que soit le cas, elle modifie totalement le corps de l'insecte. Cela permet à l'insecte de vivre en deux phases, un stade larvaire et un stade adulte, séparées par une période de temps où l'insecte se trouve dans une pupe. Dans cette situation, il a la capacité de mieux résister au froid, et donc il lui est plus facile de traverser l'hiver. En cela, il est normal que la métamorphose ait été une mutation conservée à travers l'évolution. Pour finir, la dernière grande bouffée évolutive, la coévolution des plantes et des insectes a été fondamentale: les plantes ne sont pas que la nourriture des insectes, mais forment aussi leur habitat. Les certains insectes jouent un rôle dans la pollinisation des certaines plantes.

Comment s'est effectuée leur sortie de l'eau?

Les insectes descendraient très probablement des crustacés qui, rappelons le, font partis tout comme les myriapodes et les arachnides, de la famille des arthropodes et qui se distinguent, entre autre, par leur nombre de pattes, c'est à dire six, ainsi que par le fait qu'ils possèdent deux paires d'ailes sauf chez les diptères qui n'en ont que que deux mais qui présentent quand même un vestige de ces dernière, les balanciers. Cependant, de nombreuses recherchent tendent à montrer aujourd'hui que les hexapodes et les crustacés ne sont qu'une seule et même classe et qu’ils descendraient des myriapodes. Mais la phylogénie est une science mouvante et cette information est à prendre avec des pincettes, cette classification pouvant très rapidement changer. On peut du reste se représenter cette idée très facilement. En effet, comme nous l'avons dit plus haut, les hexapodes -autre nom pour nommer les animaux à six pattes- sont les premiers animaux à avoir quittés les océans pour suivre la colonisation des plantes de la terre ferme. Ces derniers durent, lors de leur sortie de l'eau, se construire une armure pour pouvoir affronter ce nouvel environnement hostile aux premiers abords. C'est alors l'apparition de l'exosquelette en chitine. Ils conquirent aussi les airs très rapidement avec les premières libellules qui sont encore aujourd'hui des insectes très liés à l'eau, leurs larves se développant dans ce milieu. D'autres ordres d'insectes apparaissant à cette époque et ayant aussi la faculté de voler comme les éphémères ou les perles qui doivent encore passer par un stade larvaire aquatique. Ils doivent aussi subir une métamorphose, dite complète, avant de devenir de beau et fort imagos, c'est à dire des individus capables de se reproduire. Pour imager ce dernier terme, on peut dire que les papillons que l'on voit virevolter lors par une belle journée de printemps dans une prairie en fleur, sont les imagos des "laides" chenilles qui dévorèrent nos choux que nous protégeâmes avec passion des rigueurs de l'hiver.

L'exosquelette permit aussi de stocker des substances toxiques captées dans l'environnement ambiant et ainsi rendre immangeable l’insecte possédant ce type de défense. Voilà une des raisons de son succès.

Comment s'est effectuée la conquête de l'air?

Les insectes furentt les pionniers de l'aviation animale. Ceci constitua une nouvelle bouffée évolutive, toutefois nous ne possédons pas l'information concernant le plan paléontologique. C'est-à-dire que la plus vieille aile que nous possédons scientifiquement est le fruit d'une longue évolution. Nous n'avons aucun spécimen qui nous permet d'observer la mutation originelle.

Car il faut savoir que très peu de mutation génétique sur l'ADN peut perturber l'organisation et la biologie du développement d'un insecte. Il a été possible d'observer cela lors d'expériences sur les drosophiles, qui appartiennent à l'un des modèles d'organismes les plus étudiés. Les gènes dits "architectes" codent pour tout ce qui concerne l'organisation des différentes parties de l'insecte, ils se nomment gènes homéotiques. Chez la drosophile, le nombre de paires de chromosomes est de 4, dont une, comportent justement ces gênes. Il est possible de voir en Annexe un schéma provenant du Campbell (Chapitre 21, La génétique du développement embryonnaire, Figure 21.23, annexe n°), illustrant justement chez gènes homéotiques, chez deux organismes étant la drosophile et la souris. Ce qui est intéressant d'observer est la répartition et l'ordre des gènes homéotiques sur le chromosome qui se retrouvent avec exactitude sur le corps de la drosophile. Des mutations sur ce chromosome ont été observées lors d'expériences, ce qui par exemple a pu ajouter une paire d'ailes à une drosophile. Cette mutation se nomme Bithorax (Annexe n°).

Existe aussi une mutation qui provoque un remplacement des antennes par des pattes, et elle se nomme Antennapedia (annexe n°). Dés lors qu'il est possible de concevoir de tels changements par une seule mutation, nous comprenons que les ailes ont dû apparaître de la même façon: quelques mutations au niveau des gènes homéotiques. L'apparition des ailes fut une véritable avancée pour les insectes, leur offrant la capacité d'échapper aux prédateurs par les airs, une régulation de température simplifiée, ainsi une protection pour les pattes qui ne sont plus autant sollicitées. Pour finir, cette dernière mutation les aida à la colonisation de nouveaux biotopes inaccessibles jusqu'alors.

Approfondissement de la question des gènes homéotiques, après interview de François Karch

Comme dit plus haut, les gènes homéotiques sont des gènes architectes, c'est-à-dire qu’ils vont coder pour la charpente de l'organisme. On les retrouve chez les Arthropodes mais aussi chez tous les animaux possédant une symétrie axiale. Ils ont aussi été observés chez les plantes.

Ces gènes sont chez la drosophile placés de suite sur un même chromosome, notamment dans la même suite que les parties codées par ces gènes sont placées sur le corps de l'organisme (axe antéropostérieur, les segments étant nommés par facilité par A0, A1, A2, ensuite T1, T2, etc.). Ces gènes ensemble forment une homéobox, c'est-à-dire un système de gènes possédant un fonctionnement lié. Il a notamment été découvert que lorsqu'une mutation se produit dans l'un de ces gènes, la partie codée par celui-ci ne va pas se développer en une partie de corps tronquée. En réalité, il existe un système "par défaut": lorsqu'un segment par exemple est tronqué, la partie du corps va se développer comme le segment antérieur, à quelques détails près. Voila pourquoi les drosophiles peuvent se retrouver avec deux thorax, dans ce cas-ci c'est le segment T3 qui est détérioré et qui va se conduire comme un segment T2.

Chez la drosophile, le segment T3 code pour des balanciers. Nous nous sommes demandés pourquoi dans l'évolution les insectes primitifs comme les libellules ayant deux paires d'ailes, en ont perdue une, comme chez la drosophile, au profit d'une paire de balanciers. Une seule paire d'aile donne à l'animal une plus grande maniabilité. Il faut savoir aussi que la paire de balanciers est un segment plus évolué, car apparu plus tard. Chez certains autres insectes comme chez les coléoptères, c'est la première paire d'ailes qui a été modifiée en élytre, comme il est possible de le voir sur la photo de hanneton à l'Annexe n°.

Il est important de voir que ces systèmes homéobox ont été conservés lors de l'évolution, sans grand changement. Tout au long de l'évolution, ces gènes se sont spécialisés de plus en plus. Si on regarde un mille-pattes, plus proche de l'ancêtre commun de tous les Arthropodes, dans son système homéobox, le segment T2 est répétés (presque d'une manière semblable) une multitude de fois, ce qui a amené ces organismes à posséder autant de pattes. Seulement au fil de l'évolution, les organismes partant des Myriapodes se sont progressivement spécialisés en des structures plus évoluées que des pattes.

Pour quelles raisons la métamorphose fut une grande bouffée évolutive pour les insectes?

Après l'apparition de l'exosquelette qui permit la colonisation de la Terre par les insectes, puis l'apparition des ailes voici enfin l'apparition de la métamorphose ou comment la laides mais forte chenille devint le gracile papillon aux couleurs chatoyantes. Les insectes apparurent au Dévonien il y a déjà 400 millions d'années. Ils étaient phytophages et, ou détritivores. Entre la fin du Permien et le Trias apparurent les insectes à métamorphose complète. Le livre ici semble se marcher sur les pieds car les libellules qui sont des insectes à métamorphose complète apparaissent il y a 300 millions d'années et le livre situe l'apparition de la métamorphose complète entre 250 et 200 millions d'années avant notre ère. On n'est pas à 50 millions d'années près. La métamorphose complète se caractérise par un stade d'immobilité que l'on nomme chrysalidation chez les lépidoptères, c'est-à-dire les papillons. Ce stade d'immobilité régulé par des hormones et un avantage dans l’évolution sans précédant. Il permet aux insectes de passer par un stade où l'individu n'a pas besoin de se nourrir. Ainsi, lors d'une période plus froide où la nourriture viendrait à manquer, les insectes subissant ce type de métamorphose peuvent y survivre à l'état de chrysalides ou de pupes sans problèmes. De plus, les larves des insectes à métamorphose complète ont un régime alimentaire fort différent des imagos de leurs espèces. Ainsi contrairement aux insectes à métamorphose incomplète, comme les criquets, il n'y a pas de concurrence alimentaire entre des individus de la même espèce. C'est pourquoi aujourd'hui les insectes subissant ce type de métamorphose sont les plus nombreux. Ces derniers sont représentés par les Diptères, les Hyménoptères, Odonates, Coléoptères et j'en passe.

Comment les plantes ont-elles évolué conjointement avec les insectes?

Les insectes ont évolué conjointement avec l'évolution des plantes. Ils les précédèrent dans leur conquête de la Terre et s'adaptèrent à ces dernières. Les plantes surent aussi tirer partie de ces bestioles à six pattes à leur insu. Les premières plantes à fleurs que sont les orchidées poussèrent le vice jusqu'à mimer un de leur partenaire sexuel. Ainsi attirés, les insectes contribuèrent non pas à la distribution de leur propre gène, mais à celui de leurs hôtes. La nature est aussi, tout comme nous, relativement flemmarde. Ainsi, non contente de leurrer les insectes pollinisateurs d'un point de vue sexuel, les orchidées les trompèrent aussi sur la quantité de nectar qu'elles avaient à leurs offrir. Par un délicieux parfum et des couleurs chatoyantes, elles parvinrent à les attirer, et ne leur offrirent comme récompense qu'une maigre part de nectar. C'est bien peu payé pour un si utile service que la reproduction. Les orchidées se montrent aussi parfois difficiles. Ainsi, une certaine orchidée malgache (mettre le nom) ne peut se faire poliniser que par une seule espèce de sphinx dont la trompe fait plus de 30 cm de long. Il est probable que cet orchidée et ce sphinx aient évolué conjointement nous plutôt Co-évolué. En fait ils co-évoluent depuis le crétacé. C'est sous l'effet du binôme " variation sélection" où plante et insectes se transforment simultanément tout en s'influençant mutuellement. Cette coévolution a donnée lieu à la création d'un arsenal de substances toxiques de la par des plantes, les alcaloïdes. Si ces substances existent c'est seulement parce que les plantes, poussées à bout par les attaques incessantes des insectes phytophages se transformèrent en véritable laboratoire spécialisé dans la fabrication d'armes chimiques. L'homme remarqua très tôt les propriétés pharmaceutiques et insecticides de ces dernières. Par exemple, la nicotine tirée du tabac, plantes faisant partie des Soléonacées tout comme la tomate, est utilisée comme insecticide. Mais les insectes apprirent aussi à résister car, comme nous l'avons dit plantes et insectes évoluèrent conjointement. Ainsi, la chenille le sphinx tête de mort Acherontia atropos, se nourrit de feuilles de tabac sans souffrir des effets de la nicotine. Ces mêmes chenilles emmagasinent même les substances toxiques de cette plante dans leur chair devenant alors toxique pour les oiseaux insectivores. La plante réagira en augmentant sa teneur en nicotine devenant encore plus toxique. C'est alors une véritable course à l'armement qui s'engage entre la chenille et le plan de tabac. Notons aussi pour la petite histoire que les insectes devenant toxique suite à l'ingestion de certaines plantes ne cherchent pas à se cacher à la vue de leur prédateur; au contraire ils sont bardés de couleurs très vivent qui signalent leur toxicité. On parle de couleurs aposématiques. Certaine fois les plantes font appelle à d'autres insectes pour faire face à d'autres insectes. Cette notion sera introduite un peu plus bas. Parfois les plantes se montrent encore plus ingrates et préfèrent manger les insectes qui viennent se poser sur elles. C'est le cas des plantes dites "carnivores" qui vivent sur les sols acides et maigres et qui doivent manger des insectes pour pouvoir combler leur besoin en azote.

Comment les plantes se défendent-elles contre l'agression des insectes?

Les plantes ne manquent pas de ressources contre les insectes. Comme expliqué ci-dessus, les plantes développèrent un arsenal de substances chimiques sensées empoisonner les hexapodes un peu trop intrusifs. Elles possèdent aussi des cires, par exemple, qui empêchent la pénétration des stylets des insectes de type piqueur-suceur comme les pucerons ou les cigales, (pour changer un peu...). Certaines plantes produisent des molécules mimant certaines hormones d'insectes. Cela a pour effet de perturber la croissance des chenilles se trouvant sur ce type de plantes. D'autres plantes émettent des molécules de terpènes ou de l'hexanal, que nous connaissant de manière olfactive car il s'agit de la même odeur que dégage l'herbe coupée, afin d'attirer des insectes entomophages. Ces insectes entomophages sont très sensibles à ces deux molécules et ils volent littéralement au secours de la plantes agressée lorsqu’ils captent ces deux molécules via leurs antennes sorte de petite sonde à substances chimiques. Un fois la proie repérée, l'insecte parasitoïde pondra à l'intérieur de son infortunée victime un ou plusieurs œufs qui écloront bientôt pour devenir des larves, ou des asticots pour le cas des diptères parasites, qui mueront trois fois avant de se nymphoser. La pauvre victime est ainsi dévorée vivante de l'intérieur, et ce n'est qu'au dernier moment que le parasite s'attaquera aux organes vitaux. Si c'est une chenille qui est la victime de cette triste aventure, elle se verra contrainte de se chrysalider par l'action d'une hormone produite par le parasite. Ans i ce dernier pourra finir son développement et se nymphoser. On aura à l'extérieur une chrysalide tout à fait normale mais à l'intérieur de celle-ci un ou plusieurs parasites sont en train de se métamorphoser. A l'émergence, ce ne sera pas un papillon qui sortira de la chrysalide, mais des adultes de l'espèce parasitaire. Il arrive parfois que l'on assiste à de véritable création de poupée Russe, le parasite étant parasité par un autre parasite qui est lui même la victime d'un autre parasite et cela dans la même chenille, ou plus généralement dans n'importe quel autre insecte hôte.

Comment les plantes ont-elles su tirer parti de la présence des insectes pour leur reproduction?

Comme dit plus haut, la plupart des plantes à fleur ont besoin d'insectes pour assurer la dissémination de leur patrimoine génétique. La plupart des orchidées de nos régions ont un pollinisateur exclusif. Il s'agit la plupart du temps d'abeilles solitaires qui sont elles aussi très liées à un petit nombre de plantes à cause de la petitesse de leur trompes. C'est un autre exemple de coévolution. L'évolution de la trompe des insectes pollinisateurs s'adapta la taille du canal nectarifère de la plante pollinisée. Ne perdons pas de vue que le nectar n'est rien d'autre que la récompense qu'offre la plante à l'insecte pollinisateur. En effet, ce n'est pas dans le nectar que sont contenus les gamètes mais bien dans le pollen. Certaines plantes, dont l'arum, une des premières plantes à fleur de nos bois, attire les mouches pollinisatrices qui se précipitent dans celle-ci et y demeurent un temps prisonnières par la conformation des parties végétales. Dans leurs mouvements, elles se couvrent de pollen. Une fois libérées, attirées par l’odeur provenant d’un deuxième gouet pied de veau, son autre nom commun, elles pénètrent à l’intérieur et le fécondent en laissant tomber sur les ovaires le pollen du premier arum, et ainsi de suite. L’histoire se répète, assurant la reproduction de la plante. Voici un autre bon exemple de coévolution. Cependant, pas toutes les plantes à fleurs ne se reproduisent avec l'aide des insectes. Ainsi les noisetiers disséminent leurs gènes avec l'aide du vent et il en va de même avec les chênes.

Comment les insectes développèrent le comportement social?

Le comportement social des insectes est un sujet très complexe, complexité bien supérieure à ce qu'il est attendu de nous dans un travail comme celui-ci. Nous allons donc être succincts.

Par exemple, les fourmis forment des colonies très complexes, mais fonctionnelles et rapides, appelées fourmilières. Chez une écrasante majorité des espèces, cette société possède une organisation sociale complexe, hiérarchisée, et qui lui permet d'effectuer des tâches complexes. Cette organisation est permise grâce aux interactions, notamment de phéromones, entre les fourmis. Elles ne "réfléchissent" donc pas individuellement pour savoir quel acte accomplir, mais sont guidées, sans en avoir conscience, par un "comportement globale" issu d'interactions entres les individus.