Les serpents le font plus vite et mieux : comment un groupe de lézards écailleux et sans pattes a décroché le jackpot de l'évolution

Puis, dans un élan d’innovation dans la forme et la fonction, les ancêtres des serpents ont développé des corps apodes capables de glisser sur le sol, des systèmes de détection chimique très sophistiqués pour trouver et suivre leurs proies, et des crânes flexibles qui leur ont permis d’avaler de gros animaux.

Ces changements ont ouvert la voie à une diversification spectaculaire des serpents au cours des 66 derniers millions d'années, leur permettant d'exploiter rapidement de nouvelles opportunités apparues après qu'un impact d'astéroïde ait anéanti environ les trois quarts des espèces végétales et animales de la planète.

Mais qu’est-ce qui a déclenché l’explosion évolutive de la diversité des serpents – un phénomène connu sous le nom de rayonnement adaptatif – qui a conduit à la création de près de 4 000 espèces vivantes et a fait des serpents l’une des plus grandes réussites de l’évolution ?

Une nouvelle étude génétique et alimentaire sur les serpents, menée par une équipe internationale dirigée par des biologistes de l'Université du Michigan, suggère que la vitesse est la réponse. Les serpents ont évolué jusqu'à trois fois plus vite que les lézards, avec des changements massifs dans les caractéristiques associées à l'alimentation, à la locomotion et au traitement sensoriel, selon l'étude dont la publication en ligne est prévue le 22 février dans la revue Science.

“Fondamentalement, cette étude porte sur ce qui fait un gagnant évolutif. Nous avons constaté que les serpents ont évolué plus rapidement que les lézards de plusieurs manières importantes, et cette vitesse d'évolution leur a permis de profiter de nouvelles opportunités que d'autres lézards ne pouvaient pas”, a déclaré l'Université. du biologiste évolutionniste du Michigan Daniel Rabosky, auteur principal du prochain article scientifique.

“Les serpents ont évolué plus rapidement et – osons le dire – mieux que certains autres groupes. Ils sont polyvalents et flexibles et capables de se spécialiser sur des proies que d'autres groupes ne peuvent pas utiliser”, a déclaré Rabosky, conservateur au Musée de zoologie de l'UM et chercheur. professeur au Département d'écologie et de biologie évolutive.

Pour l’étude, les chercheurs ont généré l’arbre évolutif de serpents et de lézards le plus grand et le plus complet en séquençant les génomes partiels de près de 1 000 espèces. En outre, ils ont compilé un énorme ensemble de données sur l’alimentation des lézards et des serpents, en examinant les enregistrements du contenu de l’estomac de dizaines de milliers de spécimens conservés dans les musées.

Ils ont introduit cette montagne de données dans des modèles mathématiques et statistiques sophistiqués, soutenus par des quantités massives de puissance informatique, pour analyser l'histoire de l'évolution des serpents et des lézards à travers les temps géologiques et pour étudier comment divers traits, tels que l'impuissance, ont évolué.

Cette approche à plusieurs volets a révélé que si d'autres reptiles ont développé de nombreux traits semblables à ceux des serpents – 25 groupes différents de lézards ont également perdu leurs membres, par exemple – seuls les serpents ont connu ce niveau de diversification explosive.

Prenez par exemple le gecko apode d'Australie.

Comme les serpents, ce lézard a perdu ses pattes et a développé un crâne flexible. Pourtant, la créature s’est à peine diversifiée au fil des millions d’années. Pas d’explosion évolutive – juste quelques espèces qui gagnent leur vie dans l’outback australien.

Il semble donc qu’il y ait quelque chose de spécial chez les serpents qui leur a permis de remporter le jackpot de l’évolution. Peut-être quelque chose dans leurs gènes qui leur a permis d'être flexibles sur le plan évolutif, alors que d'autres groupes d'organismes sont beaucoup plus contraints.

“Un aspect remarquable des serpents est leur diversité écologique : ils creusent sous terre, vivent dans l'eau douce, dans l'océan et dans presque tous les habitats terrestres imaginables”, a déclaré Alexander Pyron, co-auteur de l'étude et professeur agrégé de biologie à l'Université George Washington. “Bien que certains lézards fassent certaines de ces choses – et il y a beaucoup plus de lézards que de serpents – il y a beaucoup plus de serpents dans la plupart de ces habitats et dans la plupart des endroits.”

Les causes ultimes, ou déclencheurs, des radiations adaptatives constituent l’un des grands mystères de la biologie. Dans le cas des serpents, il est probable qu’il y ait plusieurs facteurs contributifs, et il ne sera peut-être jamais possible de les distinguer.

Les auteurs de la prochaine étude scientifique font référence à cet événement unique dans l’histoire de l’évolution comme une singularité macroévolutionnaire dont les causes sont « inconnues et peut-être inconnaissables ».

Une singularité macroévolutionnaire peut être considérée comme un passage soudain à une vitesse évolutive supérieure, et les biologistes soupçonnent que ces explosions se sont produites à plusieurs reprises tout au long de l’histoire de la vie sur Terre. L’émergence soudaine et la domination ultérieure des plantes à fleurs en sont un autre exemple.

Dans le cas des serpents, la singularité a commencé avec l’acquisition presque simultanée (d’un point de vue évolutif) de corps allongés sans pattes, de systèmes avancés de détection chimique et de crânes flexibles.

Ces changements cruciaux ont permis aux serpents, en tant que groupe, de poursuivre un éventail beaucoup plus large de types de proies, tout en permettant simultanément à chaque espèce d’évoluer vers une spécialisation alimentaire extrême.

Aujourd'hui, il existe des cobras qui frappent avec un venin mortel, des pythons géants qui resserrent leurs proies, des fouisseurs au museau en pelle qui chassent les scorpions du désert, des serpents arboricoles minces appelés « mangeurs de glu » qui se nourrissent d'escargots et d'œufs de grenouilles au-dessus du sol, des pagayeurs. des serpents de mer à queue qui sondent les crevasses des récifs à la recherche d'œufs de poisson et d'anguilles, et bien d'autres encore.

“L'un de nos principaux résultats est que les serpents ont subi un profond changement dans leur écologie alimentaire qui les sépare complètement des autres reptiles”, a déclaré Rabosky. “S'il existe un animal qui peut être mangé, il est probable qu'un serpent, quelque part, ait développé la capacité de le manger.”

Pour l'étude, les chercheurs ont eu un aperçu des préférences alimentaires des serpents en examinant les observations sur le terrain et les enregistrements du contenu de l'estomac de plus de 60 000 spécimens de serpents et de lézards, provenant pour la plupart de musées d'histoire naturelle. Les musées contributeurs comprenaient le musée de zoologie de l'Université du Michigan, qui abrite la plus grande collection de recherche de spécimens de serpents au monde.

“Les spécimens de musée nous offrent cette incroyable fenêtre sur la façon dont les organismes gagnent leur vie dans la nature. Pour les animaux secrets comme les serpents, il est presque impossible d'obtenir ce type de données par d'autres moyens, car il est difficile d'observer directement une grande partie de leur comportement”, a déclaré l'étude. co-auteur principal Pascal Title de l'Université Stony Brook, qui a terminé son doctorat à l'UM en 2018.

Les 20 auteurs de l'étude proviennent d'universités et de musées aux États-Unis, au Royaume-Uni, en Australie, au Brésil et en Finlande.

“Ce que j'aime dans cette étude, c'est la façon dont elle intègre des données durement gagnées sur le terrain et dans les musées avec de nouvelles méthodes génomiques et analytiques pour montrer une vérité biologique fondamentale : les serpents sont exceptionnels et franchement plutôt cool”, a déclaré Sonal Singhal, co-auteur principal de l'État de Californie. University, Dominguez Hills, qui a commencé à travailler sur le projet en tant que chercheur postdoctoral à l'UM.