Les plantes vont des simples algues et de l’écume d’étang unicellulaire aux mousses, fougères et arbres immenses. Les paléontologues comme nous débattent depuis longtemps de la manière exacte dont cette diversité de formes et de tailles a émergé, et de la question de savoir si les plantes ont émergé des algues pour prendre des formes multicellulaires et tridimensionnelles lors d’une floraison progressive ou d’un big bang.
Pour répondre à cette question, les scientifiques se sont tournés vers les archives fossiles. À partir des exemples les mieux conservés, comme les trilobites, les ammonites et les oursins, ils ont invariablement conclu que la gamme de conceptions biologiques d’un groupe est atteinte au cours des premières périodes de son histoire évolutive.
À son tour, cela a conduit à des hypothèses selon lesquelles les lignées évolutives ont un une plus grande capacité d’innovation dès le début et, après cette première phase d’exubérance, ils s’en tiennent à ce qu’ils savent. Cela s’applique même à nous : tous les différents mammifères placentaires ont évolué à partir d’un ancêtre commun avec une rapidité surprenante. Est-ce la même chose pour le règne végétal ?
Dans notre nouvelle étude, nous avons cherché à répondre à cette question en recherchant certains caractères dans chaque grand groupe végétal. Ces traits allaient des caractéristiques fondamentales des plantes – la présence de racines, de feuilles ou de fleurs – aux détails fins décrivant la variation et l’ornementation de chaque grain de pollen. Au total, nous avons collecté des données sur 548 traits provenant de plus de 400 plantes vivantes et fossiles, représentant plus de 130 000 observations individuelles.
Nous avons ensuite analysé toutes ces données, regroupant les plantes en fonction de leurs similitudes et différences globales, toutes tracées dans ce qui peut être considéré comme un « espace de conception ». Puisque nous connaissons les relations évolutives entre les espèces, nous pouvons également prédire les traits de leurs ancêtres communs éteints et inclure également ces ancêtres hypothétiques dans l’espace de conception.
Par exemple, nous ne trouverons jamais de fossiles de la plante à fleurs ancestrale, mais nous savons par ses plus proches descendants vivants qu’elle était bisexuelle, radialement symétrique, avec plus de cinq carpelles disposés en spirale (la partie reproductrice femelle d’une fleur portant l’ovule). Ensemble, les points de données provenant d’espèces vivantes, de fossiles et d’ancêtres prédits révèlent comment la vie végétale a parcouru l’espace de conception à travers l’histoire évolutive et au fil des temps géologiques.
Nous nous attendions à ce que les plantes à fleurs dominent l’espace de conception puisqu’elles représentent plus de 80 % des espèces végétales, mais ce n’est pas le cas. En fait, les bryophytes vivantes – mousses, hépatiques et cornées – présentent presque autant de variété dans leurs formes corporelles.
Cela n’est peut-être pas tout à fait surprenant puisque les trois lignées de bryophytes font leur propre travail depuis plus de trois fois plus longtemps que les plantes à fleurs. Et malgré leur petite taille, même les humbles mousses sont extraordinairement complexes et diverses vues au microscope.
Les relations évolutives véhiculées par la généalogie ramifiée dans l’intrigue ci-dessus montrent qu’il existe, en général, une structure dans l’occupation de l’espace de conception : à mesure que de nouveaux groupes ont émergé, ils se sont étendus à de nouvelles régions. Cependant, il existe également des preuves de convergence, certains groupes comme les gymnospermes vivants (conifères et alliés) et les plantes à fleurs se rapprochant plus les uns des autres que de leur ancêtre commun.
Néanmoins, une partie des particularités des différents groupements dans l’espace du design est clairement le résultat d’une extinction. Cela est clair si l’on considère la répartition des espèces fossiles (points noirs) qui se produisent souvent entre les groupes d’espèces vivantes (points colorés).
Alors, comment la diversité des plans corporels des plantes a-t-elle évolué ?
Dans l’ensemble, le modèle général est celui d’une exploration progressive de nouveaux modèles résultant d’innovations généralement associées à la reproduction, comme l’embryon, la spore, la graine et la fleur. Celles-ci représentent les solutions évolutives aux défis environnementaux auxquels sont confrontées les plantes dans leur occupation progressive de niches de plus en plus sèches et difficiles à la surface du sol. Par exemple, l’innovation des semences a permis aux plantes qui les portent de se reproduire même en l’absence d’eau.
Au fil des temps géologiques, ces expansions se produisent sous forme d’impulsions épisodiques, associées à l’émergence de ces innovations reproductives. Les moteurs de l’évolution anatomique des plantes semblent être une combinaison de potentiel génomique et d’opportunités environnementales.
La disparité des plantes suggère que le Big Bang est un fiasco
Rien de tout cela ne correspond à l’idée selon laquelle les lignées évolutives commencent par innover avant de s’épuiser. Au lieu de cela, il semble que des formes fondamentales de plantes aient émergé hiérarchiquement au cours de l’histoire de l’évolution, en s’appuyant sur le châssis anatomique hérité de leurs ancêtres. Ils n’ont pas perdu leur capacité d’innovation au cours du milliard d’années ou plus de leur longévité évolutive.
Cela différencie-t-il donc les plantes des animaux, dont les études sont à la base de l’attente d’une innovation et d’un épuisement évolutifs précoces ? Pas du tout. Des études comparables que nous avons réalisées sur des animaux et des champignons montrent que, lorsque vous étudiez ces règnes multicellulaires dans leur intégralité, ils présentent tous un modèle de variété anatomique croissante épisodique. Les lignées individuelles peuvent bientôt s’épuiser mais, dans l’ensemble, les royaumes ne cessent d’innover.
Cela suggère un schéma général d’innovation évolutive dans les règnes multicellulaires et suggère également que les animaux, les champignons et les plantes ont encore beaucoup de jus évolutif dans leurs réservoirs. Espérons que nous soyons toujours là pour voir quelle innovation surgira ensuite.
Plus d’information:
James W. Clark et al, Evolution de la disparité phénotypique dans le règne végétal, Plantes naturelles (2023). DOI : 10.1038/s41477-023-01513-x
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