Les poumons sont essentiels pour de nombreux vertébrés, y compris les humains. Cependant, quatre clades d’amphibiens vivants ont indépendamment éliminé la respiration pulmonaire et manquent de poumons, respirant principalement à travers leur peau humide. On sait peu de choses sur la base développementale de la perte pulmonaire dans ces clades.
Dans une nouvelle étude en Avancées scientifiques des chercheurs du Département de biologie de l’organisme et de l’évolution et du Musée de zoologie comparée de l’Université de Harvard ont examiné les Plethodontidae, une famille dominante de salamandres, qui sont toutes dépourvues de poumons à l’âge adulte, et ont découvert qu’elles développaient réellement des poumons en tant qu’embryons éclairant l’évolution de perte pulmonaire sur des millions d’années.
La famille des salamandres sans poumons Plethodontidae est la famille de salamandres la plus riche en espèces, représentant plus des deux tiers de la diversité existante des salamandres. Tous les pléthondontides adultes sont dépourvus de poumons et respirent entièrement à travers les tissus non pulmonaires, principalement la peau et les muqueuses de la bouche et de la gorge. La perte pulmonaire s’est produite indépendamment au moins quatre fois chez des amphibiens éloignés et il existe d’autres cas de réduction ou de perte pulmonaire chez les amphibiens et certains vertébrés. La raison développementale de cette perte reste cependant un mystère.
« De toute évidence, les salamandres sans poumons se débrouillent bien sans poumons étant donné qu’elles représentent environ les deux tiers de toutes les espèces de salamandres », a déclaré l’auteur principal Zachary R. Lewis, ancien candidat au doctorat (Ph.D. ’16), « perdant peut-être des poumons activés, plutôt qu’entravé, ce remarquable succès évolutif. »
Cette étude s’appuie sur les travaux de doctorat de Lewis dans le laboratoire de l’auteur principal, le professeur James Hanken. Lewis, Hanken et le co-auteur, le professeur agrégé Ryan Kerney, du Gettysburg College, ont utilisé l’histologie et la micro-CT pour examiner la morphologie du développement pulmonaire chez les salamandres pulmonaires et sans poumons. Ils ont découvert que les salamandres sans poumons commencent à développer des poumons en tant qu’embryons de la même manière que les espèces avec des poumons les développent. Les chercheurs ont ensuite utilisé l’hybridation in situ et le séquençage d’ARN pour montrer que la structure qui se forme au cours du développement embryonnaire de la salamandre sans poumon ressemble à un poumon non seulement morphologiquement, mais aussi en termes de molécules exprimées.
Les chercheurs émettent l’hypothèse que le développement pulmonaire cesse chez ces espèces en raison d’un manque d’indices qui maintiennent le développement pulmonaire provenant du tissu, le mésenchyme, qui entoure le poumon au cours de son développement.
« Nous avons mis le mésenchyme d’une salamandre avec des poumons dans un embryon de salamandre sans poumons et lui avons permis de se développer », a déclaré Lewis, « cela a entraîné la formation de structures qui ressemblent à des poumons, offrant des preuves que les salamandres sans poumons restent capables de continuer à développer des poumons. «
L’étude confirme également la thèse de doctorat d’Amy Grace Mekeel de 1936 qui a contesté la principale théorie avancée par les biologistes selon laquelle le léger pli du pharynx adulte est un poumon résiduel qui a persisté depuis la perte pulmonaire initiale des pléthodontides. Mekeel a décrit un « rudiment pulmonaire » qui s’est formé dans l’embryon, mais a été perdu au moment de l’éclosion.
« Le précurseur pulmonaire apparaît et disparaît avant l’éclosion des embryons de salamandre sans poumons, tout comme Mekeel l’a décrit », a déclaré Kerney, « ce travail confirme la thèse antérieure de Mekeel et pose l’hypothèse initiale du vestige adulte pour se reposer. »
L’étude révèle que les voies génétiques du développement pulmonaire sont au moins partiellement conservées malgré l’absence de poumons adultes fonctionnels pendant au moins 25 et peut-être plus de 60 millions d’années. Comprendre l’évolution de la perte pulmonaire chez les Plethondontidae pourrait également éclairer la perte d’organes chez d’autres vertébrés.
« À l’avenir, si ces mécanismes génétiques sont révélés, nous aurons une compréhension plus complète de la façon dont l’évolution agit pour se débarrasser d’un organe tel que le poumon, qui a longtemps été considéré comme essentiel à la réalisation de la vie sur terre », a déclaré Lewis, qui est actuellement scientifique chez NanoString Technologies.
Zachary R. Lewis et al, Base développementale de la perte pulmonaire évolutive chez les salamandres pléthodontides, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abo6108. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo6108