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Chez les insectes, les ailes sont soumises à des fortes pressions de sélection naturelle pour le camouflage, le mimétisme et la coloration d’avertissement. Les motifs et les couleurs des ailes de papillons constituent par exemple de bons modèles d’études de ces processus. Les changements au niveau génétique engendrent des modifications dans la combinaison des pigments et dans celle de leur position relative au cours du développement des ailes en phase larvaire et durant la métamorphose.

En Amérique Latine et du Sud, les papillons du genre Heliconius sont particulièrement intéressants à ce sujet. Ils présentent une large diversité de pattern (type de motif) mais qui converge dans chaque région géographique au point que toutes les espèces se ressemblent. Depuis de nombreuses années, les scientifiques essaient de comprendre quels sont les mécanismes génétiques et évolutifs à l’origine de l’apparition de cette diversité morphologique.

L’équipe, menée par Richard W.R. Wallbank (université de Cambridge), apporte des éléments de réponse. Par des analyses génétiques complexes de plusieurs espèces d’Heliconius, ces scientifiques ont mis en évidence des phénomènes de recombinaison et d’introgression de certains gènes survenus entre les espèces et les populations au cours de leur histoire évolutive. Ces mécanismes favorisent l’émergence de nouveaux patterns qui seront sélectionnés dans les populations et qui permettront ainsi aux espèces d’évoluer rapidement.

L’un des principaux obstacles à l’innovation de l’évolution est la contrainte des changements génétiques imposée par la fonction existante. En effet, les mutations conférant des phénotypes avantageux (aspect d’un trait morphologique) pour un caractère nouveau entraine souvent des effets négatifs sur d’autres traits influencés par le gène concerné (effet pléïotropique).

Ce fonctionnement pléïotropique de certains gènes restreint l’apparition de nouveautés phénotypiques et donc la diversité des espèces. Par exemple, les gènes contrôlant le développement des ailes chez les insectes ont peu été modifiés au cours de l’évolution car ils sont soumis à une forte pression de sélection. Les profils d’expression de ces gènes sont ainsi similaires entre les mouches et les papillons.

Diversité des patterns de plusieurs espèces d'Amazonie - 1ère ligne : H. burneyi huebneri, H. aoede auca et H. xanthocles Zamora - 2ème ligne : H. timareta f. timareta, H. doris doris et H. demeter ucayalensis - 3ème ligne : H. melpomene malleti, H. egeria homogena et H. erato emma - 4ème ligne : H. elevatus pseudocupidineus, Eueides heliconioides eanes et E. tales calathus - 5ème ligne : Cretonne phyllies (Source : Wallbank et al., 2015)

Figure 1 : Diversité des patterns de plusieurs espèces d’Amazonie – 1ère ligne : H. burneyi huebneri, H. aoede auca et H. xanthocles Zamora – 2ème ligne : H. timareta f. timareta, H. doris doris et H. demeter ucayalensis – 3ème ligne : H. melpomene malleti, H. egeria homogena et H. erato emma – 4ème ligne : H. elevatus pseudocupidineus, Eueides heliconioides eanes et E. tales calathus – 5ème ligne : Cretonne phyllies (Source : Wallbank et al., 2016)

Cependant, des études ont montré qu’il existait des structures génétiques permettant de contourner ces contraintes. Elles sont constitués d’éléments juxtaposés, dits modules, codant pour des domaines spécifiques, où la modification de l’un d’entre eux ne perturbe pas l’expression des autres. Ce principe semble être à l’origine de la diversité morphologique.

De tels éléments ont été découverts chez les Heliconius (thématique sur laquelle j’ai travaillé en 2009, rendez-vous en bas de page). Ces papillons, qui se rencontrent en Amérique Latine et du Sud, regroupent de nombreuses espèces aux motifs et aux couleurs d’une grande diversité. Dans une même localité géographique, l’ensemble des espèces présente une structuration de la coloration des ailes identique. Cette convergence mimétique est particulièrement remarquable pour les 11 espèces d’Heliconius au phénotype appelé « Dennis-Ray » : taches rouges à la base des ailes antérieures (Dennis) et rayures rouges sur les ailes postérieures (Ray) (voir figure 1).

Quels sont les processus génétiques et évolutifs qui ont ainsi permis à toutes ces espèces, parfois phylogénétiquement éloignées, d’évoluer vers un pattern similaire ? 

C’est ce à quoi a voulu répondre l’équipe de Wallbank.

Pour cela, les scientifiques ont entrepris des analyses génétiques sur Heliconius melpomene et d’espèces proches comme H. elevatus et H. timareta pour identifier les modules associés aux éléments à l’origine des phénotypes Dennis et Ray.

Leurs résultats révèlent une histoire évolutive plus complexe que les scientifiques le supposaient !

Les analyses génomiques ont été réalisées à partir de (suite…)

Les structures anatomiques ayant pour rôle l’injection de venin sont apparues chez plusieurs ordres d’arthropodes de manière indépendante. On les retrouve ainsi chez les Chélicérates (scorpions et araignées), les Myriapodes (mille-pattes), ou encore chez les insectes comme les Hyménoptères (guêpes, fourmis et abeilles) et les larves de fourmilions (Névroptères).

Ces organes sont utilisés dans un but soit de prédation, soit de défense.

Le venin, synthétisé dans une glande spécialisée, est envoyé sous pression et injecté dans les tissus hypodermiques, soit par les mandibules lors d’une morsure, soit par piqûre à l’aide d’une structure en forme de seringue ou de dard.

Une entomologiste de l’université de New York, Amy Berkov, et ses collègues, ont décrit en 2008 pour la première fois l’existence d’organes à venin chez un Coléoptère : Onychocerus albitarsis, une espèce de la famille des Cerambycidae. Ces organes se trouvent à l’extrémité des antennes et leur venin provoque des inflammations cutanées et sous-cutanées chez les humains.

A l’aide d’observations au microscope électronique à balayage, les scientifiques on pu décrire et étudier ces organes. Il s’avère que le système de distribution du venin est quasi-similaire à celui des organes à venin situés à l’extrémité de la queue des scorpions de la famille des Buthidae.

Cette découverte étonnante met en évidence un cas de convergence évolutif.

1) Des coléoptères toxiques

Les Coléoptères constituent l’un des ordres animaux les plus diversifiés, au point qu’une espèce sur quatre est un Coléoptère.

De nombreuses familles, comme les Carabidae (carabes), les Meloidae (cantharides), les Tenebrionidae (ténébrions), les Coccinellidae (coccinelles) ou encore les Lampyridae (lucioles) et les Staphylinidae (staphylins), sécrètent des composés chimiques (acides, esters, quinones, amides, stéroïdes, aldéhydes, alcaloïdes ou encore terpénoïdes, et irridoïdes) ayant une fonction défensive : irritations ou saveur-amère par exemple.

Ces composés peuvent être d’origine (suite…)

Les blattes, les termites et les mantes-religieuses, malgré des différences morphologiques et comportementales évidentes, possèdent un même ancêtre commun et appartiennent à l’ordre des Dictyoptères. La faible quantité de fossiles disponibles et leur état peu exploitable, rendent la compréhension de leur histoire évolutive difficile et complexe. De nombreuses incertitudes et controverses demeurent quant à la phylogénie des différentes familles et de leur place dans la classification.

C’est pourquoi une équipe de scientifiques, menée par Frédéric Legendre du Muséum National d’Histoire Naturelle de Paris (MNHN), a entrepris des études basées à la fois sur des analyses moléculaires et fossiles de façon à préciser l’histoire de ces événements évolutifs pour apporter de nouvelles données. Leur résultats montrent que les premiers Dictyoptères seraient apparus au Paléozoïque, durant la période Carbonifère/Permien, il y a -310 millions d’années. Le taxon des blattes, longtemps considéré comme le plus ancien des trois, est en réalité plus récent (-275 millions d’années), apparu secondairement de celui des mantes-religieuses (-300 millions d’années). Enfin, l’apparition des termites remonteraient à la limite Jurassique/Crétacé (-150 millions d’années), réfutant l’hypothèse d’une apparition au Trias (-250 millions d’années).

La phylogénie est la science  des liens de parenté entre les espèces actuelles et fossiles : elle permet de retracer l’histoire des événements évolutifs du monde vivant. La compréhension de l’origine et de la diversification des organismes au cours de l’évolution requiert la possession d’archives fossiles très riches.

Photo 1 : blatte fossile du Crétacé (-125 millions d'années) (Source : Chine -  Province de Liaoning - Fossilmuseum.net)

Photo 1 : blatte fossile du Crétacé (-125 millions d’années) (Source : Chine – Province de Liaoning – Fossilmuseum.net)

Chez les insectes, les études phylogénétiques sont particulièrement difficiles en raison d’archives fossiles rares, limités et, la plupart du temps, peu exploitables (Photo 1). Pour pallier à ce manque, les scientifiques ont recours aux analyses moléculaires et génétiques d’espèces actuelles qui, combinées aux données fossiles, morphologiques et environnementales, permettent de déterminer leurs liens de parenté.

L’équipe de Frédéric Legendre s’est intéressée à l’ordre des Dictyoptères, qui regroupe les blattes (sous-ordre des Blattodea), les termites (sous-ordre des Isoptera) et les mantes-religieuses (sous-ordre des Mantodea) dont l’histoire évolutive demeure encore controversée.

Leur étude a consisté à analyser et à comparer des échantillons d’ADN provenant de 800 taxons, représentant une large gamme de la diversité actuelle, calibrée avec les données fossiles aux synapomorphies claires (caractère présent chez deux espèces et hérité d’un ancêtre commun).

Les résultats de leur étude, publiée le 22 juillet 2015, apportent un regard nouveau sur (suite…)

En 2009, j’ai eu la chance d’intégrer l’équipe de Mathieu JORON avec qui j’ai pu mener des travaux de recherche sur les papillons tropicaux du genre Heliconius au sein de « l’Institut de Systématique, Evolution et Biodiversité » du Muséum National d’Histoire Naturelle de Paris (UMR 7205-CNRS) et sur le site de Gamboa (Panama) du Smithsonian Tropical Research Institute (STRI) durant 6 mois.

J’ai également effectué une mission de terrain d’un mois en Guyane française, dont 10 jours à la station des Nouragues.

Les derniers travaux de l’équipe de Mathieu JORON et de ses collaborations internationales, intégrant mes résultats, viennent d’être publiés dans la revue Nature/Heredity du 25 mars 2015 :

  • « Conservatism and novelty in the genetic architecture of adaptation in Heliconius butterflies », Huber B. et al. ; Heredity (2015), 1-10.

Je vous mets le lien ici pour que vous puissiez le lire.

Résumé :

Depuis de nombreuses décennies, (suite…)

La découverte d’une nouvelle famille de lépidoptère, inédite depuis les années 1970, a été faite avec la capture d’un petit papillon sur « Kangaroo Island » (Australie). Une équipe australienne, menée par N.P. Kristensen, vient de décrire la famille des Aenigmatineidae. Des études morphologiques et génétiques sur ces spécimens permettent de reconsidérer une grande partie de l’histoire évolutive et de la classification des lépidoptères. L’évolution de ces insectes semble plus complexe que les scientifiques pouvaient le penser auparavant.

Les papillons (Lepidoptera) actuels appartiennent quasi-uniquement (99%) au phylum (groupe) des Hétéroneures : nervation des ailes antérieures et postérieures différentes et associées durant le vol. A l’opposé, les Homoneures possèdent des ailes antérieures et postérieures aux nervures identiques : un caractère primitif considéré comme ancestral.

Les papillons sont regroupés en deux catégories :

  • Les Glossata dont les pièces buccales sont modifiées en « trompe » (proboscis) ayant la faculté de s’enrouler sur elle-même chez les imagos (lire cet article), qui intègrent l’ensemble des hétéroneures, la famille des Neopseustidae et ainsi que le groupe Exoporia ;
  • Les Aglossata qui gardent des mandibules et des mâchoires fonctionnelles non spécialisées à l’état adulte : un trait anatomique ancestral, qui se retrouve chez les Agathiphagidae, les Micropterigidae et les Heterobathmiidae.
Espèce Aenigmatinae glatzella : (a) mâle, (b) femelle sur sa plante hôte, (c) chenille sur plante hôte

Photo 1 : Espèce Aenigmatinea glatzella : (a) mâle, (b) femelle sur sa plante hôte, (c) chenille sur plante hôte (Source : Kristensen et al. (2015) – Opus cité, p.8)

L’intérêt de cette nouvelle espèce, Aenigmatinea glatzella (voir photo ci-contre), est qu’elle présente à la fois des caractères anatomiques ancestraux comme des ailes homoneures, et « modernes » (qui se retrouvent chez les papillons actuels). Les scientifiques ont entrepris des analyses morphologiques et génétiques pour déterminer la place de sa famille au sein de l’arbre phylogénétique et de la classification des lépidoptères.

Ces résultats montrent que Aegnimatinea glatzella est proche phylogénétiquement des Hétéroneures et des familles Acanthopteroctetidae et Neopseustidae (voir illustration 1 en bas de page). 

Morphologiquement, cette espèce, malgré des pièces buccales atrophiées à l’état adulte, présente des caractéristiques propres aux Glossata comme une absence de commissure tritocérébrale libre (zone de liaison entre le proto-cérébron et le deutéro-cérébron, partie antérieure du cerveau de l’insecte), une cuticule des lentilles des ocelles (oeil simple) épaissie et la structure du premier spirale thoracique.

De plus, les chenilles de A. glatzella ont la particularité de (suite…)

Une intéressante découverte sur les relations de mutualisme qu’entretiennent les fourmis coupe-feuille (« champignonnistes ») et les champignons qu’elle cultivent vient d’être publiée dans la revue Nature. Les recherches, menées par l’entomologiste Danois Henrik Hjavard De Fine Licht et son équipe démontrent grâce à des analyses comparatives d’expressions génétiques et moléculaires, que les fourmis dépendent du champignon pour synthétiser certaines enzymes et acides aminés essentiels, une capacité perdue par les insectes au cours de l’évolution. Le champignon, en plus d’être une source de nutriments, constitue de ce fait une voie de synthèse moléculaire indispensable au fourmis. Ainsi, fourmis et champignons se comportent comme un seul et même organisme, connecté par un important réseau d’interactions, où chacun joue des rôles spécifiques comme des organes dans un organisme.

Certaines espèces ont mis en place au cours de l’évolution des relations à avantages réciproques (nourriture, protection, reproduction…) : le mutualisme. Les fourmis champignonnistes et le champignon qu’elles cultivent se sont co-adaptées au niveau morphologique, physiologique et comportemental au point de devenir totalement dépendants l’un de l’autre. Leur interdépendance est telle qu’aujourd’hui, la survie de l’un ne peut se faire sans la présence de l’autre : ce type de mutualisme est dit symbiotique. Les fourmis se nourrissent du champignon (un Basidiomycète du genre Leucoagaricus) qui se développe sur un substrat de matière végétale apportée par les fourmis (lire également cet article). Le champignon, isolé sexuellement, dépend entièrement de l’insecte pour sa multiplication : il s’agit d’une endosymbiose (par opposition à l’ectosymbiose où les deux organismes sont indépendants pour leur reproduction).

Illustration de Gongylidia et de Staphylae du Basidiomycète

Illustration de Gongylidia et de Staphylae du Basidiomycète (Source : De Fine Licht, 2014)

L’histoire évolutive de ce mutualisme remonte à environ 50 millions d’années. Il y a 20-25 millions d’années, l’émergence chez le champignon, d’organes riches en glucides, en lipides et en enzymes : les gongylidae, regroupés en bouquets (staphylae), satisfaisant l’ensemble des besoins nutritifs des fourmis, a augmenté la dépendance des insectes au champignon pour leur alimentation (voir illustration ci-contre). Cette innovation majeure coïncide également avec l’isolement sexuel du champignon, devenu dépendant des fourmis pour sa reproduction et sa multiplication. Ces deux événements ont conduits les deux espèces ancestrales à (suite…)

Les insectes sont les seuls invertébrés ayant acquis la capacité de voler (place des insectes dans la classification, lire cet article). Contrairement aux autres animaux volant comme les oiseaux et les chauve-souris, où les ailes sont issues des membres antérieurs, celles des insectes ont une structure et une origine totalement différentes. Leur origine et leur histoire évolutive restent encore confuses et controversées. D’un système simple au début, le fonctionnement des ailes s’est avéré par la suite d’une incroyable complexité!

Origine et évolution

Les premiers insectes ailés fossiles connus sont datés du Paléozoïque (ère primaire : 545-245 millions d’années) et sont tous terrestres. L’acquisition des ailes et du vol a permis une explosion de diversité de familles (Hyménoptères, Lépidoptères, Diptères…), de genres et d’espèces (lire cet article). L’avantage évolutif procuré fut gigantesque : meilleure dispersion (recherche de nourriture, d’environnements favorables…etc.), capacité à fuir les prédateurs, meilleure stratégie reproductive. Cet avantage fut tel qu’aujourd’hui, les insectes ailés ou « Ptérygotes » constituent la quasi-totalité des espèces d’insectes. Les insectes non ailés dits « Aptérygotes » ne représentent, eux, qu’une faible minorité des espèces.

Deux théories ont été proposées pour expliquer l’origine des ailes des insectes.

  • La première, plus traditionnelle et supportée par des évidences expérimentales et des modélisations théoriques, suggère que la sélection naturelle aurait agi sur des insectes arboricoles (« Protoptérygotes« ), munis d’excroissances sur le thorax et effectuant du vol plané, en favorisant l’élargissement de ces organes et en mettant en place les innovations techniques et biologiques pour battre des ailes (certaines espèces de fourmis contrôlent leur chute avec leurs pattes : ici).
  • Selon les tenants de la seconde, le vol serait issu d’insectes semiaquatiques utilisant des excroissances thoraciques pour écumer l’eau, à la manière des larves d’Ephéméroptères et de Plécoptères : la sélection naturelle leur aurait permis de quitter le milieu aquatique pour celui des airs.
Description des différentes éléments d'une patte de crustacé (crustacea.academic)

Différentes éléments d’une patte de crustacé (Source : crustacea.academic)

Ces dernières décennies, la paléo-entomologiste tchèque Jarmila Kukalova-Peck a présenté une nouvelle théorie. Selon elle, chez les arthropodes comme les crustacés, les pattes sont ramifiés (« biramés »), avec un appendice dorsal ou externe (exopodite) et un appendice ventral ou interne (endopodite), une anatomie qui n’est pas retrouvée chez les insectes où les pattes ne sont constituées que d’un appendice (voir illustration). L’idée est que les ailes seraient issues d’exopodites modifiées (2ème et 3ème paires), tandis que la première paire aurait été perdue ou incorporée au thorax.

Cette théorie a l’avantage d’expliquer, contrairement aux deux autres, de la mise en place d’une (suite…)

Les insectes et les végétaux entretiennent des relations d’interdépendance depuis l’apparition des plantes à fleurs au Crétacé (145-65 millions d’années) (lire cet article). Cette co-évolution entre plantes à fleurs et les insectes est à l’origine de la diversité des interactions inter-spécifiques, des espèces et des cycles biologiques.

Parmi ces relations, certaines sont favorables aux deux protagonistes (la plante et l’insecte) : ce type d’interactions à bénéfices réciproques constitue  mutualisme. L’insecte se développe, s’alimente, effectue son cycle reproductif en totalité ou en partie via l’organisme végétal, et en contrepartie, la plante est pollinisée et fécondée. L’insecte joue alors le rôle de transporteur des grains de pollen d’une fleurs à l’autre, contribuant ainsi au maintien de la diversité génétique de l’espèce végétale.

Parfois, deux espèces peuvent avoir évolué de manière à ne pouvoir vivre l’une sans l’autre: elles deviennent totalement dépendante. Un exemple de mutualisme parmi les plus remarquables est probablement celui des guêpes de la famille des Agaonidae (Chalcidiens-Hyménoptères) et des figuiers. C’est cette association étonnante que vous découvrirez dans ces lignes.

 La figue :
Coupe transversale d'une figue (Source : Wikipedia)

Coupe transversale d’une figue (Source : Wikipedia)

Contrairement à ce que l’on peut croire, la figue n’est pas un fruit!! Il s’agit en fait d’un réceptacle floral refermé sur lui-même, enfermant les fleurs femelles et les fleurs mâles. La figue forme ainsi une urne (Syconium), dont l’ouverture située au sommet (ostiole) est fermée par des bractées (des sortes de feuilles à la base du pédoncule florale). La moitié environ des espèces sont dites monoïques (une figue porte des fleurs mâles et femelles), les autres étant dioïques (les fleurs mâles et femelles sont portées par des arbres différents).

Dans le monde, plus de 800 espèces de figuiers, regroupées en 20 genres, sont recensées, dont la grande majorité se rencontre dans les forêts tropicales : le genre Ficus regroupe le plus grand nombre d’espèce.

La figue, impropre chimiquement à un grand nombre de phytophages (animaux se nourrissent de matière végétale) jusqu’à sa maturation, offre également un environnement intérieur protecteur pour tout insecte ayant la possibilité de s’y installer. C’est ainsi, qu’au cours de l’évolution, de nombreuses espèces d’insectes (Diptères, Coléoptères, Hyménoptères) ont réussi à en tirer avantage à l’aide d’innovations et d’adaptations morphologiques. Mais les guêpes Agaonides vont plus loin : (suite…)

Une équipe internationale de chercheurs vient d’établir une nouvelle phylogénie* des insectes qui permet de retracer l’histoire évolutive des différentes familles à l’aide d’outils moléculaires et génétiques, et d’analyses comparatives entre de milliers de gènes et de séquences nucléotidiques* (* définition en fin de page).

Photo et illustration du plus vieux fossile d'insecte (Strudiella devonica)

Photo et illustration du plus vieux fossile d’insecte (Strudiella devonica)

Le plus ancien fossile d’insectes connu est âgé de 412 millions d’années (début de l’ère géologique du Dévonien), ce qui indique que les insectes prennent leur origine bien avant, durant l’Ordovicien (485-440 millions d’années), voir durant le Cambrien (540-485 millions d’années). Le manque de fossiles durant ces deux périodes empêche de concevoir l’histoire de leur apparition de manière certaine.

Les insectes sont les premiers organismes à s’être adaptés à la vie terrestre et à l’eau douce, ils se sont dès lors diversifiés en de très nombreuses familles comme les papillons (Lépidoptères), les mouches (Diptères), les libellules (Odonates), les Coléoptères, les termites (Isoptères), les criquets (Orthoptères), et bien d’autres. Les insectes ont évolué et se sont adaptés durant ces millions d’années à toute une gamme d’environnement et de modifications climatiques, et ont aussi développé le vol et la vie en société.

Pour ceux qui se posent la question : « Qu’est ce qu’un insecte? », suivre ce lien.

C’est pourquoi, il est très intéressant de déterminer les

(suite…)

Présentation d’une espèce de fourmis rencontrée au cours de mon séjour au STRI au Panama

  • Les fourmis « volantes » du genre Cephalotes

Les fourmis du genre Cephalotes (Famille des Myrmicinae et Tribu des Cephalothini) sont principalement présentes dans les forêts tropicales d’Amérique centrale et du sud.

Cephalotes à l'entrée de leur nid dans un troc d'arbre - Photo B. GILLES

Cephalotes à l’entrée de leur nid dans un troc d’arbre – ©Photo B. GILLES

Ce sont des espèces uniquement arboricoles, construisant leur nid dans des tiges et des troncs d’arbres vivants ou morts. Leur biologie n’est pas très bien connue, mais elles semblent se nourrir d’une large gamme d’aliments d’origine végétale et animale (pollen, insectes, fientes d’oiseaux, animaux morts, etc.), elles sont considérées comme omnivores. Les colonies, selon les espèces, contiennent d’une dizaines d’ouvrières à près de 10 000 comme chez Cephalotes atratus.

Ces fourmis sont connues par leur morphologie singulière. Toutes les espèces de ce genre sont caractérisées par une (suite…)