L'évolution d'une meilleure aptitude

Par mutation aléatoire plus sélection

par Edward E. Max, M.D., Ph.D.
Copyright © 1999-2001
[Dernière mise à jour : 1er septembre 2001]



Correspondance avec les critiques

En juin 2000, un lecteur de cet essai de Talk.Origins a suggéré que je sollicite une réponse du Dr. Lee M. Spetner. Le livre de Spetner, « Not by Chance », attaque la théorie de l'évolution en utilisant des arguments issus de la théorie de l'information, dans le but de soutenir une alternative « créationniste » mal articulée. J'ai envoyé un courriel à Spetner, et une correspondance étendue (et, à mon avis, intéressante) a suivi, que nous avons convenu de lier à l'article présent. La correspondance non édité est difficile à suivre. Aucune limite de longueur n'a été imposée à l'un ou l'autre de nous, et de nombreux points soulevés par chacun ont été traités par l'autre dans des commentaires dispersés sur plusieurs courriels successifs. Pour rendre la correspondance lisible, j'ai regroupé les divers arguments pertinents à une question particulière du débat. Ma version édité est liée ici. Cette version contient la plupart des arguments centraux à la correspondance, mais, en raison de contraintes de temps, certains ont été omis. Cette version édité n'a pas été approuvée par Spetner, et il est probable qu'il ait d'autres répliques. La correspondance sera mise à jour périodiquement lorsque le temps le permettra.

Le Dr. Ross Olson, pédiatre créationniste, a assisté à mon débat avec le Dr. Duane Gish le 22 février 2001, et a initié une correspondance par courriel avec moi. Après avoir lu mon essai sur la page Talk.Origins que vous consultez actuellement, Olson a publié une critique sur un site web créationniste qu'il maintient. La critique d'Olson s'oppose aux points que j'ai avancés dans l'essai, dans le débat et dans notre correspondance. Son site relie désormais à une réplique de ma part, une deuxième critique de sa part et une deuxième réplique de ma part. Mes répliques seront également disponibles ici sur le serveur Talk.Origins.



1. Introduction

La théorie de l'évolution comprend un certain nombre d'idées que certaines personnes trouvent difficiles à accepter intuitivement. L'une des plus difficiles semble être la notion selon laquelle les structures complexes et interdépendantes que nous observons chez les plantes et les animaux modernes sont apparues grâce à des mutations génétiques aléatoires sélectionnées au fil du temps. Pour certaines personnes, il est beaucoup plus facile de croire que les caractéristiques belles et fonctionnelles de l'œil humain, par exemple, ont été conçues par un créateur intelligent, plutôt que d'imaginer comment elles auraient pu être générées par des événements aléatoires. Les créationnistes exploitent cette difficulté conceptuelle, en présentant plusieurs arguments qui semblent démontrer que des mécanismes aléatoires ne pourraient jamais aboutir à une seule protéine fonctionnelle, encore moins à un œil. Ces arguments peuvent être réfutés par des contre-arguments théoriques ; pourtant, beaucoup de personnes ont du mal à accepter ces contre-arguments au niveau intuitif. Ce qui pourrait être persuasif serait un exemple clair chez des organismes vivants montrant comment la mutation aléatoire plus la sélection peuvent conduire à une meilleure « fitness ». Il y a quelque temps, j'ai réalisé qu'un tel exemple était fourni par des expériences liées à mes propres recherches de laboratoire, qui concernent les gènes codant pour les protéines du système immunitaire connues sous le nom d'anticorps. Comme les gènes d'anticorps ne sont pas bien connus du grand public, j'ai décidé d'écrire cet article dans l'espoir qu'il puisse être utile aux lecteurs perplexes par les arguments créationnistes.

1.1 La vision créationniste de la mutation aléatoire et de la sélection

Avant d'aborder les gènes des anticorps, il est utile de considérer ce que disent les créationnistes sur le hasard par rapport au dessein. Concentrons-nous sur trois arguments favoris des créationnistes qui semblent convaincants car ils contiennent certains éléments vrais et une logique valide.

1.1.1 Mutations as harmful

D'abord, les créationnistes proclament que les mutations sont nocives. Selon les créationnistes, si vous prenez une machine biologique complexe bien fonctionnelle et que vous la soumettez à des altérations aléatoires, vous ne pouvez guère espérer avoir apporté des améliorations et vous risquez presque certainement d'avoir nui à l'organisme. Les créationnistes soulignent que toutes les mutations classiques observées chez l'humain sont délétères, causant des maladies génétiques telles que l'anémie falciforme, la dystrophie musculaire, la mucoviscidose et les syndromes cancéreux. Aucun exemple clair de mutation humaine bénéfique n'a été décrit. Pour expliquer les changements adaptatifs dans les populations -- tels que le célèbre assombrissement de la population de papillons de nuit (qui s'est produit lorsque les arbres assombris par la suie résultant de l'industrie lourde ont rendu les papillons de couleur claire des cibles plus faciles pour les oiseaux affamés) -- les créationnistes soutiennent que les gènes variants pour la couleur sombre et claire étaient présents dans la population originale, conçus par un créateur pour permettre aux papillons de vivre dans des environnements variés ; dans cette vision, le déplacement vers une coloration plus sombre dans la population de papillons résulte de changements dans les fréquences alléliques de gènes existants conçus, sans nécessiter de nouvelles mutations aléatoires. Selon les créationnistes, la relation essentielle entre la sélection naturelle et les mutations est que la sélection agit de manière conservatrice pour éliminer les individus porteurs de mutations et pour empêcher la propagation des mutations au sein d'une population.

1.1.2 Théorie de l'information

Plusieurs arguments formels ont été avancés selon lesquels les mutations aléatoires ne peuvent pas augmenter le contenu informationnel d'un système. Étant donné que le contenu informationnel du génome humain est bien plus vaste que celui des bactéries, si la mutation ne peut jouer un rôle dans cette augmentation, alors les fondements de l'évolution par mutation et sélection naturelle semblent être remis en question.

1.1.3 Argument statistique

Un dernier argument avancé par les créationnistes contre le rôle de la mutation aléatoire dans les origines biologiques est un calcul statistique censé prouver l'impossibilité d'une origine évolutive des protéines. Une protéine est une grande molécule biologique construite à partir de sous-unités plus petites, appelées acides aminés, qui se lient ensemble dans une chaîne linéaire puis se replient en une structure tridimensionnelle précise. Il existe vingt types différents d'acides aminés dans les protéines, et la séquence spécifique de ces acides aminés détermine la forme finale et les propriétés d'une protéine donnée. Une protéine typique est composée d'une centaine ou plus d'acides aminés dans un ordre strictement défini. Les créationnistes se demandent : quelle est la probabilité que la séquence correcte d'acides aminés d'une protéine spécifique — par exemple, les 141 acides aminés de la protéine humaine porteuse d'oxygène appelée globine — ait pu être sélectionnée par hasard ? Le nombre total de séquences d'acides aminés possibles de longueur 141 est 20141, un nombre si incompréhensiblement énorme que la probabilité statistique de l'apparition réelle de la séquence de globine à partir d'un assortiment aléatoire d'acides aminés est négligeable. Dans une similitude imagée, les créationnistes aiment comparer la probabilité d'assembler correctement une séquence de protéine par ce modèle de sélection aléatoire à la probabilité qu'un ouragan traversant un décharge puisse assembler un avion de ligne 747.

1.2 Réfutation des arguments des créationnistes

1.2.1 Toutes les mutations sont-elles nuisibles ?

Même si la plupart des mutations sont soit nocives, comme le suggèrent les créationnistes, soit neutres, les créationnistes occultent un fait crucial : des mutations bénéfiques se produisent bel et bien, bien qu'elles soient très rares. Une mutation bénéfique qui survient une fois sur un million d'individus peut-elle vraiment contribuer à l'évolution ? Oui, car une mutation bénéfique rare peut conférer un avantage de survie ou de reproduction aux individus qui la portent, conduisant ainsi, sur plusieurs générations, à la propagation de cette mutation au sein d'une population. Des mutations bénéfiques survenant chez plusieurs individus différents dans plusieurs gènes différents peuvent se propager simultanément au sein d'une population et être suivies par des cycles successifs de mutation supplémentaire et de sélection.

Le fait que nous connaissions de nombreuses mutations humaines délétères mais essentiellement aucune claire bénéfique signifie-t-il qu'il n'y a eu aucune mutation bénéfique dans l'histoire humaine ? Pas du tout, car il existe une nette biais dans ce que les scientifiques médicaux ont étudié. Les mutations humaines dont nous savons le plus sont délétères car les scientifiques médicaux étudient préférentiellement les maladies qui causent une morbidité et une mortalité significatives. Considérez la possibilité théorique qu'une mutation bénéfique se soit produite dans un gène humain particulier ; même si cette mutation était identifiée par une comparaison du gène muté chez un enfant versus la version non mutée du même gène chez les deux parents, il n'y a aucun moyen que cette mutation puisse jamais être reconnue comme bénéfique. Si la mutation augmentait l'intelligence, la force, la longévité ou une résistance à une maladie spécifique, cela ne serait jamais apparent sans des expériences de reproduction à long terme qui ne pourraient évidemment jamais être faites sur des humains. Par conséquent, puisque de telles mutations bénéfiques chez les humains ne pourraient jamais être reconnues chez les humains, notre ignorance d'exemples ne peut pas être prise comme une preuve qu'elles n'existent pas. Cependant, les expériences nécessaires pour démontrer une mutation bénéfique peuvent être réalisées avec des organismes de laboratoire qui se multiplient rapidement, et en effet de telles expériences ont montré que des mutations bénéfiques rares peuvent survenir. Par exemple, à partir d'une seule bactérie, on peut faire croître une population en présence d'un antibiotique, et démontrer que les organismes survivant à cette culture ont des mutations dans des gènes qui confèrent une résistance aux antibiotiques. Dans ce cas (en contraste avec la situation des populations de mouches du peuplier décrites ci-dessus), l'origine de la population à partir d'une seule bactérie permet de comparer les gènes mutés avec les gènes correspondants de la bactérie originale, vérifiant que les séquences variantes n'étaient pas présentes avant la culture avec les antibiotiques et sont donc apparues comme des mutations bénéfiques de novo.

1.2.2 Arguments de la théorie de l'information

Si une analyse mathématique détaillée de la théorie de l'information dépasse le cadre de cet article, aucun des arguments créationnistes basés sur la théorie de l'information dont j'ai connaissance ne répond de manière adéquate à l'augmentation évidente d'information qui peut survenir lorsqu'un gène se duplique et que les deux copies subissent des mutations indépendantes, aboutissant à deux gènes ayant des fonctions quelque peu différentes. La duplication des gènes, la mutation et la sélection sont toutes connues pour se produire grâce à des processus biochimiques naturels chez une variété d'organismes étudiés en laboratoire. De nombreuses familles de gènes sont connues, dont les membres codent pour des protéines ayant une structure apparentée et une fonction apparentée mais distincte. Chaque famille peut être expliquée par de multiples duplications de gènes suivies de mutations aléatoires et de différenciation des fonctions des copies individuelles de gènes. Il est clair que l'expansion d'un gène primordial unique à une grande famille de gènes aux fonctions distinctes représente une augmentation de l'information génétique.

Un exemple que j'ai déjà mentionné dans un autre message sur Talk.Origins est la famille de l'hémoglobine/myoglobine. Le gène d'une protéine primitive de transport d'oxygène est pensé s'être dupliqué, donnant naissance à des gènes séparés codant pour la myoglobine (la protéine de transport d'oxygène du muscle) et l'hémoglobine (la protéine de transport d'oxygène des globules rouges). Ensuite, le gène de l'hémoglobine s'est dupliqué, et les copies se sont différenciées en les formes connues sous les noms d'alpha et de bêta. Plus tard, les gènes d'hémoglobine alpha et bêta se sont dupliqués plusieurs fois, produisant un groupe de séquences liées à l'hémoglobine-alpha et un groupe de séquences liées à l'hémoglobine-bêta. Ces groupes incluent des gènes fonctionnels qui sont légèrement différents, qui sont exprimés à des moments différents durant le développement de l'embryon à l'adulte, et qui codent pour des protéines spécifiquement adaptées à ces périodes de développement. D'autres exemples de familles de gènes qui semblent s'être développées par une telle duplication et différenciation incluent la superfamille des immunoglobulines (comprenant une grande variété de protéines de surface cellulaire), la famille des protéines à domaine traversant sept membranes (incluant les récepteurs pour la lumière, les odeurs, les chimiokines et les neurotransmetteurs), la famille des protéines G (dont certains membres transduisent les signaux des protéines de la famille des domaines traversant sept membranes), la famille des sérine protéases (protéines digestives et de coagulation sanguine) et la famille des homeobox (protéines critiques dans le développement). Une grande partie de l'augmentation d'information dans nos génomes par rapport à ceux des organismes « inférieurs » résulte apparemment de telles duplications de gènes suivies d'une évolution indépendante et d'une différenciation des copies dupliquées en plusieurs gènes avec des fonctions distinctes. Si une analyse de la théorie de l'information affirme que la mutation aléatoire ne peut pas conduire à une augmentation d'information mais que l'analyse ignore la duplication des gènes et la différenciation par mutations indépendantes, telle analyse est irrelevante comme modèle pour l'évolution des gènes, quel que soit son raffinement mathématique.



B O X

Si mon but dans ce message n'est pas de défendre Dawkins mais de décrire un modèle biologique différent de la mutation et de la sélection, tant de lecteurs ont écrit pour soulever les mêmes trois préoccupations supplémentaires concernant la simulation de Dawkins que je me sens obligé d'en discuter.

 

1. La séquence cible a été spécifiée par un concepteur intelligent.

Le fait que la séquence cible dans le modèle du « renard » ait été choisie à l'avance est une conséquence inévitable de l'objectif de Dawkins de contraster le modèle de sélection en une seule étape avec le modèle de multiples tours séquentiels de mutation et de sélection. Le modèle en une seule étape du créationnisme commence également avec une séquence protéique spécifique et tente ensuite de calculer les chances d'atteindre cette séquence cible par une seule étape de sélection à partir de séquences aléatoires ; ainsi, une séquence cible est spécifiée à l'avance pour l'un ou l'autre modèle. (Incidentellement, qu'il s'agisse d'un processus de dessein intelligent ou d'un processus évolutif d'où cette séquence cible a été originairement dérivée est sans rapport avec la question de savoir si elle peut être recréée par une procédure impliquant l'aléatoire et la sélection. En particulier, le choix de Dawkins d'une ligne de 28 lettres de Shakespeare plutôt qu'une séquence d'acides aminés de 28 résidus d'une protéine connue est sans importance pour juger de l'efficacité relative des deux procédures en matière de reproduction de la séquence cible.) Le résultat de l'exercice de Dawkins est de montrer que la procédure en une seule étape est essentiellement incapable d'atteindre la séquence cible dans un délai raisonnable, tandis que la procédure en étapes séquentielles peut facilement atteindre la même séquence cible pré-spécifiée. Cette différence est tout ce que Dawkins tentait de montrer. Ainsi, la plainte selon laquelle « la spécification de la séquence cible à l'avance affaiblit le résultat de Dawkins » n'est pas valide, car cette même caractéristique (spécifier une séquence cible à l'avance) est appliquée également aux deux modèles, comme il le faut pour comparer leur efficacité.

 

2. Le modèle diffère de l'évolution

À quel point le modèle de Dawkins simule-t-il l'évolution ? Pour réfléchir à cette question, il faut préciser si la simulation modélise l'abiogenèse (l'origine de la vie à partir de la non-vie) ou l'évolution à partir de formes de vie préexistantes.

Presque rien n'est connu sur l'abiogenèse, et les mécanismes impliqués sont hautement spéculatifs ; en revanche, un vaste corpus de preuves soutient l'évolution par descendance commune, avec la sélection naturelle jouant un rôle significatif. Le modèle de Dawkins ne semble pas correspondre exactement ni à l'abiogenèse ni à l'évolution. Le modèle suppose qu'un mécanisme existe pour répliquer les copies existantes de la séquence afin de produire une génération de « progéniture ». Cela suggère que la simulation est un modèle pour un processus dans l'évolution se produisant à un moment après que la vie — y compris la reproduction — soit déjà apparue. Mais une fois la vie apparue, l'évolution d'une protéine à partir de séquences d'acides aminés aléatoires n'est pas considérée comme le mécanisme habituel par lequel de nouvelles protéines apparaissent dans l'évolution ; au contraire, de nouvelles protéines sont censées apparaître par modification de séquences de protéines préexistantes, généralement après duplication génique.

Cependant, certaines protéines présentant des séquences d'acides aminés essentiellement aléatoires sont générées par des mutations de décalage de trame (causant la lecture d'une séquence codante dans le mauvais cadre de lecture triplet) ou par des mutations d'épissage (qui convertissent une séquence d'intron non codante en séquence codante). Ces processus se sont peut-être produits plus fréquemment à une étape précoce de la « vie proto- », à une époque où un mécanisme de réplication était apparu, mais moins précis que la réplication d'aujourd'hui. Un composant critique du modèle de Dawkins est qu'une de ces séquences de protéines aléatoires pourrait présenter une activité très faible utile d'une manière ou d'une autre, probablement en interagissant avec d'autres matériaux de son environnement, permettant à la protéine d'offrir un avantage sélectif qui tendrait à augmenter sa fréquence dans les générations ultérieures par sélection naturelle. Ensuite, chaque mutation successive pourrait avoir fourni une légère augmentation de l'efficacité de cette fonction, permettant à la protéine mutée de remplacer les versions antérieures de la protéine par une sélection ultérieure. Dans ce modèle, chaque étape doit fournir une augmentation de l'efficacité, contrairement à l'idée créationniste selon laquelle aucune fonction sélectionnable ne peut exister avant que la séquence finale ne soit atteinte.

 

3. Aucune séquence aléatoire ne peut avoir une fonction

Plusieurs lecteurs se sont plaints que le modèle de Dawkins est irréaliste car - selon eux - aucune séquence aléatoire ne pourrait avoir une fonction permettant même une sélection minimale en faveur d'une amélioration. Cette hypothèse est-elle correcte ? Pour reformuler cette question en termes plus pertinents pour l'évolution : combien de séquences d'acides aminés aléatoires différentes devraient être testées avant d'en trouver une ayant une propriété souhaitée, même à un degré minimal ? Certains créationnistes suggèrent que ce nombre est supérieur au nombre d'atomes dans l'univers. Le modèle des anticorps décrit dans cet essai suggère que ce nombre est beaucoup plus petit. Votre système immunitaire peut produire des protéines anticorps qui se lient spécifiquement à presque toute protéine étrangère administrée - même à des protéines conçues par des entreprises de biotechnologie et jamais auparavant rencontrées par un système immunitaire, de sorte que vos anticorps n'auraient pas pu être « conçus » pour se lier à elles. Apparemment, même avant l'administration de l'antigène étranger, la « bibliothèque » finie d'anticorps dans votre corps - générée par la stratégie de mélange et d'appariement aléatoire décrite dans cet essai - est suffisamment grande pour que certains anticorps se lient à presque n'importe quelle cible particulière. N'importe lequel de ces anticorps ayant la propriété de liaison souhaitée peut ensuite être amélioré par des rounds successifs de mutation et de sélection. Si des séquences d'anticorps quasi-aléatoires peuvent être trouvées qui se lieront à presque tout défi antigénique, cela suggère qu'une fonction spécifique souhaitée peut être trouvée dans un nombre relativement petit de séquences d'acides aminés aléatoires, rendant le modèle de Dawkins moins irréalistes que les créationnistes le prétendent. Je prévois d'approfondir le potentiel fonctionnel des séquences de protéines aléatoires dans un futur essai.

 

Ainsi, bien que la simulation de Dawkins ne corresponde pas étroitement au modèle habituel de l'évolution d'une protéine à partir d'une séquence préexistante, elle correspond à un scénario possible dans le contexte de la théorie de l'évolution. En revanche, le modèle de sélection en une seule étape ne correspond à rien dans la théorie de l'évolution. Le modèle en une seule étape est exploité par les créationnistes car ils peuvent affirmer à des auditoires naïfs qu'il est impliqué par les termes évolutionnistes « aléatoire » et « sélection », après quoi ils peuvent démolir ce fantôme de paille en démontrant l'impossibilité pour lui d'atteindre une séquence protéique cible. Ils évitent de mentionner qu'un modèle alternatif impliquant « aléatoire » et « sélection » — le modèle multi-étapes séquentiel, qui reflète plus fidèlement la théorie de l'évolution — peut facilement atteindre une séquence cible

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1.2.3 Impossibilité statistique des protéines ?

Que dire de l'argument concernant l'improbabilité statistique d'obtenir une séquence spécifique de 141 acides aminés en recherchant la séquence correcte parmi des séquences générées aléatoirement ? Certes, ce mécanisme ne pourrait pas expliquer l'origine des séquences de protéines, mais la suggestion créationniste selon laquelle ce mécanisme fait partie de la théorie de l'évolution est fausse ; il s'agit d'un « homme de paille » — une fausse caricature créationniste de l'évolution — utilisé à de nombreuses reprises par les créationnistes pour tromper des auditoires naïfs en les faisant croire que l'évolution est illogique. Il est faux car il exige une séquence spécifique en UNE SEULE étape de sélection à partir d'un pool de séquences aléatoires, alors que le modèle évolutif réel pour l'origine des séquences de protéines implique MULTIPLES RONDES DE MUTATION ALÉATOIRE suivies de MULTIPLES étapes de sélection comme décrit ci-dessus.

Dans une discussion élégante sur la distinction entre ces deux modèles, le biologiste britannique Richard Dawkins (The Blind Watchmaker, New York, 1986) a simulé sur ordinateur la caricature de paille des créationnistes. Il a programmé l'ordinateur pour générer des séquences aléatoires afin de voir s'il parviendrait jamais à produire une phrase de Hamlet : « Methinks it is a weasel. » Cette phrase compte 28 caractères (y compris les espaces), de sorte que l'ordinateur a été programmé pour effectuer 28 sélections parmi les 27 caractères possibles (26 lettres plus l'espace). Un résultat typique était

MWR SWTNUXMLCDLEUBXTQHNZVJQF

Puisqu'il existe 2728 façons différentes de choisir parmi 27 alternatives 28 fois, on peut calculer la probabilité de sélectionner la séquence correcte et, en se basant sur la vitesse de l'ordinateur, estimer combien de temps il faudrait en moyenne attendre pour que la séquence correcte soit imprimée. Dawkins a estimé un million de millions de millions de millions de millions d'années. Si c'était la meilleure façon de conceptualiser l'évolution des protéines -- par sélection en une ÉTAPE unique à partir de séquences aléatoires -- on pourrait conclure, comme les créationnistes, qu'une séquence de protéine ne pouvait pas avoir évolué. Mais le modèle de sélection en une seule étape des créationnistes est clairement un « homme de paille » conçu pour ridiculiser le concept du hasard comme composant de l'évolution. Le modèle réel de l'évolutionniste est que les séquences modernes d'acides aminés ont évolué par étapes successives au cours desquelles des mutations aléatoires de séquences préexistantes ont été soumises à la sélection ; tout mutant rare qui offrait une fonction plus efficace a été propagé aux générations futures, dans lesquelles le processus de mutation et de sélection a été répété à nouveau et à nouveau. Lorsque Dawkins a terminé son programme informatique simulant l'« version créationniste » de l'évolution (l'homme de paille) et a réécrit un programme qui s'approche davantage de la « version évolutionniste » de l'évolution, les résultats de la simulation ont été tout à fait différents. Dawkins a programmé l'ordinateur pour générer une séquence initiale aléatoirement, comme dans le premier modèle, et l'ordinateur a produit :

WSLMNLT DTJBKWIRZRESLMQCO P

Ensuite, suivant le programme révisé de Dawkins, l'ordinateur a produit plusieurs copies (postérité) de cette séquence, tout en introduisant des erreurs aléatoires (mutations) dans les copies. L'ordinateur a examiné tous les descendants mutés et a sélectionné celui qui présentait la plus grande similarité (même minime) avec la ligne tirée de Hamlet. Cette séquence sélectionnée a servi de base à une autre génération de descendants avec de nouvelles mutations, à partir de laquelle la meilleure copie a à nouveau été sélectionnée — et ainsi de suite. À la dixième génération, la séquence avait « évolué » vers

MDLDMNLS ITJISWHRQREZ MECS P

À la trentième génération, il était :

IL EST COMME UN CHANGEMENT

Plutôt que de prendre des millions d'années, l'ordinateur a généré METHINKS IT IS LIKE A WEASEL en environ une demi-heure, à la quarante-troisième génération. Ainsi, un modèle cumulatif multi-étapes n'est pas du tout improbable comme modèle pour l'évolution, compte tenu à la fois d'un mécanisme pour répliquer des copies imparfaites et d'une forte pression de sélection. (Le mécanisme de réplication est, bien sûr, un grand « donné » ; la manière dont un tel mécanisme aurait pu se développer est une question distincte concernant l'origine de la vie plutôt que son évolution, et ne fait pas l'objet de cet article.) L'importance de la simulation de Dawkins réside dans le fait qu'elle met en évidence l'erreur de tous les arguments créationnistes contre l'improbabilité statistique de l'évolution, en montrant que le choix des créationnistes entre un modèle à une seule étape et un modèle cumulatif multi-étapes crée une estimation faussement basse du potentiel pour dériver une séquence particulière via la mutation aléatoire et la sélection. Bien que le modèle à une seule étape et le modèle cumulatif multi-étapes impliquent tous deux des séquences aléatoires et une sélection, les conséquences prédites des deux modèles sont très différentes. Les créationnistes ignorent cette différence et discutent intentionnellement uniquement du modèle qui donne le résultat qu'ils aiment, même si ce modèle correspond le moins bien à la théorie de l'évolution.

Le créationniste Duane Gish a ridiculisé le modèle informatique de Dawkins en critiquant le fait que la dernière ligne de Hamlet n'aurait été obtenue que grâce à un programme conçu de manière intelligente exécuté sur un ordinateur complexe également conçu de manière intelligente ; selon Gish, le besoin d'un dessein intelligent pour obtenir une séquence complexe est exactement ce que les créationnistes ont affirmé depuis le début. (Voir également cette page web.) Lors des débats créationnisme contre évolution, cet argument est une manœuvre efficace des créationnistes car les auditoires ne parviennent généralement pas à repérer la fallacie assez rapidement avant que le débat ne passe à d'autres sujets. À la réflexion, cependant, il est clair que l'argument de Gish est faux car il confond le besoin d'un dessein intelligent pour effectuer la simulation (un besoin que personne ne conteste) avec le besoin d'un dessein dans ce qui est simulé ; et c'est ce dernier point qui est en question. Pour clarifier cette distinction, considérons l'exemple suivant. Supposons qu'un modèle informatique des conditions météorologiques soit capable de prédire une tempête de pluie ; personne ne raisonnera pour contester que l'ordinateur et le logiciel de simulation météorologique ont été conçus de manière intelligente, mais cela n'implique pas que la tempête elle-même ait été créée par un concepteur. Le programme informatique conçu n'est qu'un outil analytique pour étudier le processus naturel, et la nécessité d'intelligence pour l'analyse ne dit rien sur la nécessité d'intelligence dans le processus naturel. De même, le dessein intelligent qui a été mis dans l'ordinateur et le programme de simulation de Dawkins n'implique en rien que les processus simulés — la mutation aléatoire et la sélection — nécessitent un dessein intelligent. (Pour une discussion d'autres critiques de la simulation de Dawkins, voir la boîte ci-dessus.)

2. Gènes des anticorps

Malgré le sophisme logique présent dans le rejet des créationnistes de la simulation de Dawkins, l'attrait séduisant de cet argument m'a conduit à penser qu'il pourrait être réfuté de la manière la plus claire si l'on pouvait citer un exemple biologique dans lequel -- sans l'intervention d'un concepteur intelligent -- des cycles successifs de mutation et de sélection puissent sans ambiguïté démontrer une augmentation de l'aptitude au sein des organismes vivants. Fortuitement, mes propres recherches de laboratoire dans le domaine des gènes des anticorps m'ont rendu familier avec des expériences montrant précisément un tel exemple biologique. Cet exemple -- la mutation somatique et la sélection des gènes des anticorps -- devrait rendre très difficile pour les créationnistes de continuer à insister sur le fait que les mutations aléatoires sont toujours nocives et ne peuvent pas conduire à une fonction améliorée dans un système biologique réel. Pour apprécier la beauté de l'évolution mutationnelle des gènes des anticorps, il est nécessaire de comprendre en toile de fond le mystère profond que ce système posait avant que la technologie de l'ADN recombinant ne rende possible l'exploration directe des gènes des anticorps, à partir de la fin des années 1970. (La discussion qui suit peut contenir plus d'informations que vous n'auriez jamais souhaité savoir sur les gènes des anticorps, mais ce matériel est nécessaire pour vraiment comprendre la biologie du modèle évolutif que je vais décrire. Pour les lecteurs qui souhaitent sauter cette partie de contexte, l'essentiel de l'argument se trouve dans les sections 4 et 5.)

Il est communément admis qu'un enfant qui contracte la rougeole et qui se rétablit devient immunisé contre de nouvelles attaques de ce virus. En fait, l'immunité contre cette maladie ou d'autres affections peut être générée en l'absence de maladie si diverses formes affaiblies de virus, de bactéries et de toxines bactériennes sont administrées sous forme de vaccins. La protection qui résulte de ces vaccins ne doit pas être attribuée à un renforcement général des défenses de l'organisme, mais est au contraire hautement spécifique ; l'inoculation avec un vaccin basé sur une souche particulière de bactérie ou de virus protège contre cet agent, mais ne protège souvent pas contre une infection par des souches même étroitement apparentées. De plus, les expériences du siècle dernier ont démontré que dans de nombreux cas, l'immunité dépend de protéines spécifiques qui sont présentes dans le sang après la vaccination. Ces protéines, appelées anticorps (ou immunoglobulines), peuvent se lier spécifiquement aux molécules provenant du matériel étranger (ou antigène) contenu dans le vaccin. La liaison de l'anticorps à l'antigène peut tuer les bactéries invasives, neutraliser les virus invasifs ou les toxines, et cibler tous ces matériaux étrangers pour leur destruction par des globules blancs « mangeurs de déchets ». Les anticorps sont sécrétés dans le sang par un autre type de globule blanc appelé lymphocyte B.

Si l'on prélève des échantillons de sang chez un animal à différents moments avant et après immunisation par injection d'un antigène, on observe généralement qu'avant l'immunisation, le sang ne contient pas de quantités significatives d'anticorps spécifiques à l'antigène. Plusieurs jours après l'immunisation, les anticorps contre l'antigène injecté commencent à augmenter dans le sang, atteignant souvent un pic une à deux semaines après l'immunisation. Une injection ultérieure du même antigène (un « rappel ») provoque une réponse beaucoup plus rapide, avec des quantités plus élevées d'anticorps.

Une caractéristique importante de l'interaction entre un anticorps particulier et son antigène est la force de liaison entre ces deux molécules ; cette force, qui peut être mesurée par des expériences, dépend de la qualité de l'ajustement entre les anticorps et l'antigène, analogue à l'ajustement d'une main dans un gant ou d'une clé dans une serrure. En général, au cours d'une réponse immunitaire, les anticorps augmentent non seulement en nombre mais aussi en force de liaison à l'antigène — leur « affinité ». L'affinité augmente souvent encore davantage lors de rappels ultérieurs d'antigène. En se liant plus étroitement à l'antigène, les anticorps à haute affinité sont beaucoup plus efficaces pour accomplir leurs tâches de protection.

On a découvert tôt que les anticorps sont des protéines – c'est-à-dire qu'ils sont constitués d'acides aminés dont la séquence détermine leurs propriétés, y compris leur spécificité de liaison aux antigènes. L'information régissant exactement quels acides aminés sont utilisés pour chaque position dans toute séquence protéique est stockée dans le gène de cette protéine. Pour chaque gène, l'information de séquence est encodée chimiquement dans la séquence de sous-unités (connues sous le nom de nucléotides) de la longue molécule linéaire d'acide désoxyribonucléique (ADN). (Une discussion plus détaillée de la structure et de la fonction de l'ADN peut être trouvée dans la section 2.1 de mon article Erreurs plagiées et génétique moléculaire.)

3. Trois mystères

La reconnaissance que nos systèmes immunitaires sont capables de produire -- précisément quand nécessaire -- des anticorps hautement spécifiques contre un immense nombre d'antigènes bactériens et viraux a conduit à trois mystères profonds : (1) Comment le corps réalise-t-il exactement quels gènes d'anticorps doivent être activés pour combattre une infection spécifique afin de produire les bons anticorps ? (2) Comment notre ADN stocke-t-il la quantité immense d'informations nécessaire pour encoder des anticorps spécifiques contre tous les envahisseurs étrangers que nous pourrions rencontrer ? Ce mystère est aggravé par des estimations apparemment contradictoires selon lesquelles une souris n'a pas plus de 100 000 gènes mais peut produire plus d'un million d'anticorps différents, chacun semblant nécessiter son propre gène. (3) Comment expliquer l'augmentation progressive de l'affinité des anticorps au cours d'une réponse immunitaire ?

3.1 Réponse #1 : Sélection clonale

Une réponse à la première question a été suggérée par MacFarlane Burnet dans une hypothèse connue sous le nom de « théorie de la sélection clonale ». (Voir la Figure 1.) Selon ce modèle, chacune des millions de lymphocytes B circulant dans un état de repos dans le sang d'un animal a le potentiel de devenir une cellule sécrétrice d'anticorps active ; mais chaque lymphocyte B ne peut produire qu'une seule espèce d'anticorps, avec une séquence d'acides aminés particulière et donc une spécificité antigénique particulière. Avant l'immunisation, chaque lymphocyte B au repos affiche à sa surface une forme liée à la membrane de l'anticorps qu'il sera capable de sécréter si la cellule est activée. Lorsqu'un antigène — par exemple, le virus de la poliomyélite — est injecté dans un animal, il circule parmi les lymphocytes dans le corps. La grande majorité des lymphocytes B au repos expriment des anticorps de surface qui ne peuvent pas se lier à la poliomyélite ; ces cellules ne peuvent pas être activées par le virus et restent donc dans un état de repos et ne sécrètent pas d'anticorps. Mais le virus se liera aux rares lymphocytes B affichant des anticorps capables de se lier à la poliomyélite. La liaison du virus à ces cellules les déclenche en action : elles prolifèrent, produisant de nombreuses cellules filles — des clones — toutes capables de produire des anticorps capables de se lier au virus. Ensuite, ces cellules progénitrices activées se transforment en usines miniatures déversant de grandes quantités d'anticorps anti-poliomyélite. Ce mécanisme explique comment chaque antigène peut déclencher la production de seulement ceux des anticorps capables de se lier à lui. La théorie de la sélection clonale a été vérifiée grâce à une série d'expériences élégantes dans les années 1960 (Ada & Nossal Scientific American 257;62, 1987).

[Fig1]

Figure 1. Théorie de la sélection clonale. Avant l'exposition à l'antigène, des millions de lymphocytes (trois sont représentés dans le panneau supérieur) circulent dans tout le corps dans un état de repos. Chaque cellule affiche à sa surface de nombreuses copies d'une molécule d'anticorps en forme de Y (bien qu'une seule molécule soit dessinée pour chaque cellule dans la figure), mais chaque cellule produit un anticorps légèrement différent. Si une cellule rencontre un antigène (représenté par des triangles noirs flottants dans la figure) auquel son anticorps peut se lier, cette cellule devient activée (comme illustré pour la cellule du milieu dans le panneau supérieur). La cellule activée se multiplie pour former un clone de nombreuses cellules filles, chacune exprimant le même anticorps à sa surface (panneau du milieu). Les cellules activées de ce clone mûrissent ensuite en cellules capables de sécréter des molécules d'anticorps dans la circulation (panneau inférieur) ; toutes ces molécules d'anticorps seront capables de se lier à l'antigène qui a initialement stimulé la cellule B originale. Le modèle décrit ici est une version quelque peu simplifiée de la théorie établie.

3.2 Réponse #2 : Diversité par assemblage combinatoire

La deuxième question -- comment les innombrables spécificités antigéniques sont encodées dans l'ADN des gènes des immunoglobulines -- a été résolue par l'analyse de séquences d'anticorps homogènes et de leurs gènes. Ces études ont révélé que chaque molécule d'anticorps est composée de quatre chaînes protéiques (voir la Figure 2) : deux grandes protéines identiques (chaînes lourdes) et deux petites chaînes identiques (chaînes légères). Les séquences d'acides aminés de ces chaînes ont été trouvées à posséder une propriété inhabituelle : les cent premiers acides aminés environ de chaque chaîne forment un domaine qui est différent pour presque tous les anticorps qui sont séquencés (« variable » ou région V), tandis que le reste de la séquence est identique pour chaque chaîne d'anticorps d'une classe particulière (« constante » ou région C). (Parmi les chaînes légères et lourdes, il existe environ dix classes différentes de chaînes d'anticorps, mais les distinctions entre ces classes sont sans rapport avec cette discussion.) Non sans surprise, les domaines variables sont impliqués dans la liaison aux divers antigènes possibles. La deuxième question considérée ci-dessus peut alors être reformulée : comment la diversité des séquences d'acides aminés des régions variables des protéines d'anticorps peut-elle être encodée dans l'ADN, et comment les régions constantes restent-elles constantes face à une telle diversité de régions variables ?

[Fig2]

Figure 2. Construction des anticorps et de leurs gènes. Le panneau supérieur montre comment la molécule d'anticorps en forme de Y (à gauche) est composée de deux chaînes légères identiques et de deux chaînes lourdes identiques ; les chaînes protéiques individuelles sont représentées au centre et à droite de ce panneau. Dans ce panneau, les parties de chaque protéine qui possèdent des séquences constantes (C) sont montrées en noir, tandis que les régions variables (V) sont grisées ou hachurées. Le panneau central montre la structure d'ADN des gènes de la région variable des anticorps sous leur forme assemblée trouvée dans les lymphocytes B. Le gène de la région variable de la chaîne légère est composé de deux éléments -- VL et JL -- joints ensemble, tandis que le gène de la chaîne lourde est composé des éléments VH, D et JH. Le panneau inférieur montre comment les éléments qui forment les gènes des régions variables légères et lourdes sont organisés avant qu'ils ne soient assemblés dans les lymphocytes B. Un groupe de régions VL distinctes se trouve à une certaine distance dans l'ADN du groupe des gènes de la région J. De même, les gènes des régions VH, D et JH forment des groupes distincts. Chaque lymphocyte B joint un VL et un JL pour former la région variable de la chaîne légère assemblée, et un VH, un D et un JH pour former le gène de la région variable de la chaîne lourde assemblée.

Ces questions ont donné une réponse vraiment étonnante, qui est décrite dans un schéma simplifié comme suit. Il s'avère que le gène codant pour chaque région variable d'anticorps est créé au sein de chaque lymphocyte B par des réarrangements d'ADN qui joignent des éléments séparés dans toutes les cellules non lymphoïdes du corps (Tonegawa, Nature 302:575, 1983 ; voir la figure 2, panneaux du milieu et du bas). Ainsi, les lymphocytes constituent une exception à la règle générale selon laquelle toutes les cellules du corps ont la même séquence d'ADN. Un gène de région variable de chaîne lourde est formé en assemblant trois éléments – connus sous les noms de VH, D et JH – et la région variable de chaîne légère comparable est constituée de deux éléments : VL et JL. Ces cinq types d'éléments sont souvent appelés éléments « germinaux », car ils sont séparés dans l'ADN des cellules germinales (ovule et spermatozoïde). Chaque lymphocyte B humain peut choisir, à la manière d'un menu chinois, un VH (sur environ 50), un DH (sur 23), un JH (sur 6), un VL (sur 57) et un JL (sur 9) ; mais il n'y a qu'un seul gène pour chaque classe des régions constantes, de sorte que ces domaines ne varient pas pour tous les anticorps d'une classe donnée. Le nombre de combinaisons possibles de ces éléments germinaux est impressionnant, mais le nombre d'anticorps possibles est encore plus grand car une variation de séquence supplémentaire se produit là où les éléments germinaux sont joints. Le répertoire issu du processus d'assemblage du gène variable – estimé à 30 millions de séquences d'acides aminés possibles à partir de moins de 200 éléments génétiques distincts – rend probable que, pour la plupart des antigènes étrangers, il y aura un anticorps à la surface de certains lymphocytes B capable de se lier à l'antigène, avec une affinité peut-être faible, mais suffisante pour initier une réponse immunitaire. L'élucidation des réarrangements d'ADN uniques qui sous-tendent la génération des gènes d'anticorps a résolu le deuxième des trois mystères de la formation des anticorps : comment des millions de structures d'anticorps peuvent être générées chez des organismes n'ayant qu'environ 100 000 gènes. Pour sa contribution à la résolution de ce problème, Susumu Tonegawa a reçu le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1987.

3.3 Réponse #3 : Évolution de l'affinité

C'est en considérant la troisième et dernière question -- comment l'affinité des anticorps augmente au cours d'une réponse immunitaire -- que nous arrivons à la raison d'être de cet article, car les investigations ont clairement montré que le mécanisme de l'augmentation d'affinité qui améliore progressivement l'efficacité de la fonction des anticorps est la mutation aléatoire et la sélection. Les preuves proviennent de l'analyse de plusieurs réponses immunitaires chez des souches de souris consanguines, qui dessinent toutes la même image générale (Wysocki et al. Proc Natl Acad Sci USA 83:1847, 1986 ; Griffiths et al. Nature 312:271, 1984). Les réponses sont analysées en déterminant les structures des gènes des anticorps à partir de lymphocytes B prélevés avant et à différents moments après immunisation avec un antigène (voir Figure 3). Avant l'immunisation et pendant les premiers jours suivant l'immunisation, toutes les cellules liant l'antigène expriment des séquences de gènes d'anticorps dérivées de combinaisons non modifiées des éléments germinaux décrits ci-dessus. Mais à partir d'environ une semaine, les séquences montrent clairement des preuves de mutation : de nombreuses séquences diffèrent des éléments germinaux à partir desquels elles ont été construites. Parce que les animaux dans ces expériences sont consanguins, tous les individus sont comme des jumeaux identiques, nés avec des séquences d'ADN identiques dans tous leurs gènes. En particulier, les séquences de leurs éléments de gènes de région variable germinaux sont toutes connues, de sorte que toute séquence d'immunoglobuline différant du gène germinale correspondant doit être le résultat de mutations survenues pendant le développement du lymphocyte B, c'est-à-dire des mutations somatiques.

[Fig3]

Figure 3. La preuve de la mutation somatique. Dans ce type d'expérience, une souris consanguine est injectée avec un antigène. Après une semaine ou deux semaines (ou plus), les lymphocytes B sont prélevés chez les souris et la séquence du gène d'anticorps pertinent (le gène de la chaîne légère VL-JL est représenté dans la figure) est déterminée et comparée aux séquences d'éléments germinaux correspondantes. Après une semaine, toutes les séquences de gènes d'anticorps sont identiques à celles des éléments germinaux, mais après deux semaines, plusieurs mutations (indiquées par des drapeaux de formes variées dans la figure) peuvent être observées. Les mutations partagées entre plusieurs gènes différents (symboles noirs) permettent la construction d'un arbre généalogique (à droite) qui représente la séquence supposée des événements mutationnels. Dans cette généalogie, la cellule B progénitrice est représentée en haut. Des mutations distinctes se produisent dans diverses lignées menant à des descendants exprimant certaines mutations partagées et certaines mutations uniques. Fréquemment — et reflétant la situation dans l'évolution phylogénétique — les séquences représentant des cellules B « transitionnelles » au point de divergence précis entre deux sous-lignées (les cellules marquées A et B dans la figure), ne sont pas récupérées ; mais leur existence et leur séquence peuvent être déduites du motif des mutations partagées parmi les séquences disponibles.

Ce processus de mutation somatique possède plusieurs propriétés intéressantes. Il ne se produit que dans les lymphocytes B et uniquement lorsque ces cellules sont à un stade de développement particulier et à un emplacement spécifique au sein du "centre germinatif" des tissus lymphoïdes (Jacob et al., Nature 354:389, 1991). Le processus augmente le niveau normalement faible de mutation (dû à des erreurs rares lors de la copie de l'ADN) de plus d'un millier de fois, et a donc été qualifié de "hypermutation". Les mutations se produisent presque exclusivement dans les gènes des anticorps, bien que des données récentes suggèrent que certains autres gènes qui sont spécifiquement exprimés dans les lymphocytes B du centre germinatif puissent également être affectés (Shen et al, Science 280:1750, 1998). Dans les gènes des anticorps, les mutations sont trouvées uniquement dans la région d'un gène de domaine variable assemblé, et non dans la région constante (Lebecque et Gearhart J Exp Med 172:1717, 1990) ou dans les gènes de région variable non assemblés et non exprimés dans un lymphocyte B donné (Gorski et al., Science 220:1179, 1983). Pourtant, à l'exception de leur regroupement près des gènes de région variable assemblés, les mutations semblent aléatoires. Différentes mutations se produisent dans différentes cellules, sans motif clair dans les changements de nucléotides. Bien que certains "points chauds" aient été notés, c'est-à-dire de courtes régions qui montrent plus de mutations que la moyenne (Levy et al. J Exp Med 168:475, 1988), la plupart des mutations sont dispersées autour du gène de région variable ciblé. Certaines mutations ne modifient pas l'acide aminé codé dans le gène ; en effet, certaines tombent complètement en dehors de la région codante du gène dans l'ADN "espacer" voisin où elles ne peuvent avoir aucun effet sur l'anticorps produit par la cellule. Les scientifiques ont été capables d'isoler et de séquencer des gènes d'anticorps mutés à partir d'un seul animal (Clarke et al., J Exp Med 161:687, 1985), ou même à partir de lymphocytes individuels isolés d'un seul centre germinatif (Kuppers et al, EMBO J 12:4955, 1993). Avec ces informations, on peut construire un arbre généalogique des séquences d'anticorps -- tout comme les diagrammes de divergence des espèces qui illustrent les généalogies évolutives -- en supposant que la descendance d'un lymphocyte B particulier a subi plusieurs cycles successifs de mutation (voir Figure 3, droite). En conséquence, les mutations identiques apparaissant dans plusieurs séquences indépendantes reflètent des événements mutationnels survenus tôt dans le processus d'hypermutation dans une cellule ancestrale, tandis que les mutations uniques à une seule séquence doivent être survenues dans les générations ultérieures de cette cellule. Les anticorps mutés isolés tardivement dans une réponse immunitaire montrent généralement une affinité de liaison plus élevée pour l'antigène. Dans certains cas, les effets fonctionnels des mutations individuelles ont été analysés en ingénierie des anticorps avec différents sous-ensembles des mutations observées dans un anticorps à haute affinité. En comparant les affinités de ces anticorps ingénierés, les scientifiques peuvent déduire quelles mutations ont contribué à l'augmentation de l'affinité et lesquelles étaient accidentelles.

4. Évolution des séquences d'anticorps

Le modèle déduit de ces résultats fournit un exemple biologique sans ambiguïté de la puissance des mutations aléatoires et de la sélection naturelle. (Le modèle actuel, tel qu'il est compris par les immunologistes moléculaires, est légèrement plus complexe que celui décrit ci-dessous, mais ne diffère en aucune caractéristique pertinente pour la logique de cet essai.) Lorsqu'un antigène entre dans l'organisme, il déclenche la multiplication et la sécrétion d'un petit nombre de lymphocytes B — à savoir ceux dont l'anticorps de surface peut se lier à l'antigène — ces séquences d'anticorps répondant précocement sont constituées d'éléments de gènes germinaux assemblés sous forme non mutée et ont fréquemment une faible affinité. De plus, ces anticorps n'ont pas été « conçus » pour se lier à l'antigène ; ce sont des protéines qui ont simplement pré-existé dans l'organisme avant toute exposition au nouveau défi posé par l'antigène. Alors que la réponse immunitaire se poursuit, les cellules B activées par l'antigène migrent vers les centres germinatifs. La hypermutation commence et génère des anticorps aux structures modifiées. Le mécanisme de hypermutation agit de manière aléatoire et indépendante dans les différentes cellules progénitrices clonales, introduisant des altérations essentiellement aléatoires dans la séquence d'anticorps de chaque cellule. La plupart des cellules subissant une hypermutation finissent par produire un anticorps avec une affinité inchangée ou réduite pour l'antigène ; ces dernières cellules ne seraient plus activées par l'antigène. Cependant, des mutations rares conduisent à des anticorps d'affinité plus élevée pour l'antigène. Alors que les anticorps existants aident à éliminer progressivement plus d'antigène de la circulation et que la concentration en antigène diminue, la sélection en faveur d'une haute affinité devient le facteur crucial déterminant quelles cellules seront stimulées par l'antigène. Avec de plus faibles quantités d'antigène présentes, les cellules exprimant un anticorps de faible affinité sur leur surface deviennent progressivement moins capables de se lier et d'être stimulées par l'antigène ; dans l'environnement du centre germinatif, ces cellules B mal stimulées sont programmées pour mourir par un processus spécifique connu sous le nom d'"apoptose." (Choe et al, J Immunol 157:1006,1996) En revanche, les cellules possédant un anticorps d'affinité élevée continuent de se lier à l'antigène et, par conséquent, continuent d'être stimulées à proliférer et sécréter des anticorps. Alors que la concentration en antigène diminue progressivement tandis que la mutation et la sélection se poursuivent, l'intensité de la pression de sélection en faveur d'une haute affinité augmente. Des cycles répétés de mutation et de sélection peuvent conduire à des niveaux d'affinité 100 fois supérieurs à ceux de l'anticorps initial non muté. La « compétition » pour une liaison efficace à l'antigène a été démontrée comme étant la force de sélection conduisant à l'augmentation de l'affinité des anticorps, car si l'antigène est administré à plusieurs reprises pour empêcher la baisse du niveau d'antigène et ainsi éliminer la pression de sélection en faveur d'une liaison efficace à l'antigène, l'affinité des anticorps ne s'élève pas (Eisen et Siskind, Biochemistry 3:996, 1964). De plus, lorsque la pression de sélection a été expérimentalement supprimée en ingénierie de souris avec une capacité altérée pour la mort programmée par apoptose, de nombreuses cellules B sont trouvées produisant des anticorps mutés à faible affinité (Takahashi et al. J Exp Med. 190:39, 1999).

En fin de parcours d'une réponse immunitaire, alors que l'antigène est complètement éliminé du sang, la quantité d'anticorps sécrétés diminue progressivement et la réponse immunitaire prend fin ; mais un sous-ensemble du dernier groupe de cellules hautement efficaces persiste sous forme d'une population quiescente connue sous le nom de « cellules mémoire », prêtes à répondre par une sécrétion rapide d'anticorps à haute affinité si elles sont à nouveau déclenchées par une nouvelle rencontre avec le même antigène dans le futur.

5. Conclusion

Il est clair que ce que nous observons dans la réponse aux anticorps est une évolution en miniature. Dans ce modèle, nous pouvons apprendre la structure de chaque gène d'anticorps au début de l'expérience, avant le défi avec l'antigène, et observer l'accumulation de mutations aléatoirement induites sous sélection naturelle pour une fonction progressivement améliorée. Ce modèle d'évolution est similaire à la simulation informatique discutée précédemment, mais il présente trois avantages en tant qu'exemple persuasif. Premièrement, il s'agit d'un phénomène biologique naturel plutôt que d'une simulation théorique conçue. Deuxièmement, la séquence initiale non mutée est sélectionnée pour sa capacité à se lier à la molécule d'antigène, de sorte qu'elle a clairement une certaine fonction (qui doit être « non conçue », puisque l'antigène peut être un produit chimique synthétique nouveau jamais trouvé dans la nature). En revanche, les critiques du modèle du renard de Dawkins soutiennent qu'il est irraisonnable de supposer que la séquence aléatoire initiale choisie par l'ordinateur pourrait avoir n'importe quelle fonction. Troisièmement et enfin, comme dans l'évolution phylogénétique réelle, la pression de sélection porte sur la fonction biologique plutôt que sur une séquence cible spécifique choisie par un « créateur » intelligent. Ainsi, les différents ensembles de mutations observés dans différents anticorps à haute affinité qui se lient au même antigène représentent des solutions alternatives à un défi de sélection particulier, tout comme les différentes séquences de globine chez différentes espèces représentent des solutions alternatives au besoin d'une protéine transportant l'oxygène.

Évidemment, il existe des différences entre ce type d'évolution des anticorps et l'évolution phylogénétique qui a produit la diversité des plantes et des animaux que nous trouvons sur notre planète. Mais aucune de ces différences n'affaiblit de manière critique la logique de l'analogie entre ces deux types d'évolution en tant qu'exemples de mutation aléatoire et de sélection. Les deux impliquent des séquences modifiées par des mutations aléatoires, y compris des modifications bénéfiques rares qui « prennent le dessus » sur la population en raison de leur efficacité accrue dans la prolifération sous pression de sélection ; puis ces mutants sont eux-mêmes « pris le dessus » par des mutations ultérieures, conduisant à des structures de plus en plus efficaces.

Ainsi, les preuves de l'immunogénétique moléculaire de l'évolution des anticorps que j'ai décrites montrent clairement que, contrairement aux affirmations des créationnistes, la combinaison de la mutation aléatoire et de la sélection peut être un moteur biologique créatif puissant pour la génération d'améliorations fonctionnelles progressives. Cette preuve seule ne prouve pas que la vie a évolué comme Darwin l'a suggéré, mais elle met en lumière le vide d'une autre objection créationniste invalide, bien que superficiellement attrayante, à l'évolution : l'idée fausse que la mutation aléatoire est un processus uniformément délétère qui ne pourrait jamais être la source d'une fonction biologique améliorée. Et, pour les personnes qui peuvent apprécier la complexité étonnante de la vie comme une chose merveilleuse, l'histoire de la génération de la diversité des anticorps révèle dans le système immunitaire un autre exemple d'un système non conçu mais fonctionnant de manière magnifique.

6. Réponses des créationnistes

L'évolution de l'affinité des gènes d'anticorps par mutation et sélection naturelle n'a pas été largement citée pour contrecarrer l'affirmation créationniste selon laquelle les mutations ne peuvent jamais conduire à une meilleure adaptation. Cependant, j'ai présenté cet argument lors de plusieurs débats avec le porte-parole créationniste Duane Gish de l'Institute for Creation Research, qui a obtenu un doctorat en biochimie. Ci-dessous, j'examine les deux objections soulevées par le Dr Gish à l'argument de l'évolution des anticorps.

6.1 L'évolution des anticorps mutés serait trop lente.

Comme décrit ci-dessous, Gish a rejeté l'idée de la mutation somatique des gènes des anticorps, affirmant lors d'un débat public avec moi qu'« une personne malade mourrait » avant que des anticorps mutés à haute affinité ne puissent évoluer. Cette affirmation révèle l'ignorance de Gish en immunologie. Il existe de nombreux mécanismes immunitaires autres que les anticorps spécifiques aux antigènes qui nous protègent aux stades précoces de l'infection, avant que les anticorps à plus haute affinité ne soient produits. Ceux-ci incluent l'immunité cellulaire ainsi que les mécanismes désignés sous les termes « immunité innée », « immunité non spécifique » ou « immunité non adaptative », qui englobent les effets de la protéine C-réactive, de la protéine liant le maltose, de NRAMP-1, de l'activation des macrophages induite par les cytokines, de peptides tels que les magainines et les défensines, etc. De plus, l'« anticorps naturel », un mélange d'anticorps présent dans le sérum normal en l'absence d'une immunisation intentionnelle, peut conférer une certaine protection contre certaines infections avant qu'une mutation somatique significative ne puisse survenir. En fait, les patients qui ne produisent aucun anticorps du tout en raison d'un défaut génétique sont capables de gérer certains types d'infections sans grande difficulté. Pour toutes ces raisons, Gish est totalement à tort dans son idée selon laquelle la notion de mutation somatique prédit que nous mourrions de infections banales avant que des anticorps à haute affinité n'évoluent.

6.2 Les mutations pourraient produire des auto-anticorps

Dans une correspondance privée avec moi après l'un de nos débats, Gish a mentionné une autre raison pour laquelle il ne croyait pas au modèle mutation/sélection de l'évolution des anticorps : il pensait que si le modèle était vrai, des mutations aléatoires pourraient aboutir à un anticorps capable de se lier aux molécules propres du corps, provoquant une attaque immunitaire contre nos propres tissus ou une « auto-immunité ». Certes, des maladies auto-immunes existent ; et dans plusieurs maladies auto-immunes qui ont été étudiées, des anticorps mutés semblent en effet jouer un rôle pathogène. Cependant, la mutation somatique ne provoque pas habituellement ces maladies car le système immunitaire possède plusieurs mécanismes complexes qui empêchent les réponses auto-immunes. Ces mécanismes de protection relèvent du nom général de « tolérance », et incluent la délétion clonale, l'édition des récepteurs, l'anergie, les cellules veto et les cellules suppresseures, bien que nous n'ayons pas encore une compréhension complète de la tolérance. Les maladies auto-immunes peuvent survenir lorsque les mécanismes de tolérance échouent d'une manière ou d'une autre et permettent la production d'anticorps anti-soi, qu'ils soient générés par mutation somatique ou par récombination de l'assemblage de gènes variables. Mais apparemment, chez la plupart des individus, les mécanismes de tolérance sont suffisamment efficaces pour empêcher les gènes mutés codant pour des auto-anticorps de provoquer une pathologie ; les cellules abritant de tels gènes sont désactivées, contraintes de modifier leur gène d'anticorps exprimé, ou tuées. En raison de l'efficacité des mécanismes de tolérance, les bénéfices de l'affinité accrue des anticorps obtenue par mutation somatique surpassent les risques d'auto-immunité.

6.3. Le système des anticorps montre des preuves de conception

Dans mon dernier débat avec le Dr Gish, il a affirmé que le modèle de mutation des anticorps que j'ai décrit est si complexe qu'il plaiderait en faveur d'un « concepteur » et donc contre l'évolution. Cette affirmation de complexité est une évasion qui esquive mon argument plutôt que de le réfuter. Qu'il soit vrai ou non que le système des anticorps nécessite des mécanismes complexes qui semblent « conçus » est totalement sans rapport avec le fait que l'amélioration de l'affinité des anticorps découle de mutations aléatoires. Peu importe la complexité du système de sélection, les créationnistes affirment que les mutations aléatoires sont nuisibles et que, selon les principes de la théorie de l'information, une « fitness » améliorée ne peut découler de mutations aléatoires. L'exemple des anticorps réfute leurs affirmations ; et c'est tout ce que j'essayais de démontrer dans mon essai.

De plus, l'idée que la complexité chez les organismes vivants implique un « concepteur » élude simplement la question en jeu. Certes, nous trouvons chez les organismes vivants des preuves de mécanismes d'une complexité stupéfiante qui accomplissent des fonctions adaptatives complexes et qui ressemblent, à certains égards, à des mécanismes conçus par des humains intelligents. Mais les évolutionnistes pensent que cette ressemblance est trompeuse ; ils hypothétisent que des adaptations d'une complexité stupéfiante peuvent surgir à partir d'organismes simples grâce aux mécanismes évolutifs, sans dessein intelligent. Par conséquent, la complexité n'implique pas un « concepteur » sauf si l'on élude la question en excluant a priori l'explication évolutive de la complexité.

6.4 Un post-scriptum sur les normes de la recherche scientifique des créationnistes

Dans mes débats avec le Dr Gish, j'ai insisté sur mon point de vue selon lequel la « science de la création » est en réalité une pseudoscience, et que l'échec de ses partisans à présenter leurs arguments dans la littérature scientifique à comité de lecture révèle que leur travail académique est au même niveau que celui des devins d'eau, des passionnés d'OVNI et des croyants en une « Terre plate ». Quelque succès que les créationnistes aient eu à promouvoir la « science de la création » dépend de la présentation de leur cas devant des auditoires naïfs, non formés à la science, qui n'ont pas de formation suffisante pour reconnaître la fausse logique et les fausses affirmations sur lesquelles repose le créationnisme. Gish répond toujours que les créationnistes sont d'excellents scientifiques dont les travaux ne sont pas choisis pour publication dans les revues scientifiques mainstream uniquement à cause du préjugé des éditeurs et des relecteurs contre les créationnistes. Mais lors des débats, je souligne de nombreux exemples de travail académique médiocre par les créationnistes qui expliquent complètement pourquoi leurs efforts ne répondent pas aux normes d'excellence pour la publication scientifique. Les tentatives de Gish pour réfuter le modèle de l'évolution des anticorps ont présenté un exemple révélateur de son propre travail scientifique.

Lorsque confronté à l'argument concernant l'évolution de l'affinité des anticorps dans plusieurs de nos débats, Gish a simplement nié que la mutation somatique des gènes des anticorps se produise. Il a affirmé que l'idée était controversée et qu'il était surpris que je la croie. Dans son propre compte rendu d'un débat antérieur, Gish écrit : « Il [Gish] a affirmé catégoriquement qu'une personne malade mourrait bien avant que les mutations aléatoires ne puissent jamais produire les anticorps nécessaires pour combattre une infection, et que le corps possède un mécanisme pour synthétiser des anticorps précisément conçus pour le protéger. » Le compte rendu de Gish sur le débat omet ce qui s'est produit ensuite. J'ai fait remarquer que l'étude des gènes des anticorps était mon domaine d'expertise scientifique et que j'étais conscient de nombreuses expériences décrites dans la littérature scientifique qui fournissaient des preuves abondantes du phénomène, mais je ne connaissais aucune preuve contre celui-ci. J'ai défié Gish à expliquer les défauts de ces expériences publiées ou à citer une seule étude scientifique qui les contredisait. Comme je m'y attendais, Gish ne put faire l'un ni l'autre ; de plus, il ne put offrir aucun soutien à son affirmation selon laquelle la mutation somatique est controversée. J'ai ensuite regretté le fait que le Dr Gish puisse prétendre à une expertise en biochimie et pourtant nier un phénomène si important et bien accepté qu'il est enseigné aux étudiants de première année en biochimie ; j'avais trouvé des discussions sur la mutation des anticorps dans tous les cinq manuels d'introduction à la biochimie que j'ai examinés lors d'une récente visite à une librairie locale. Gish a répondu que la question des gènes des anticorps était un mystère profond et que quiconque le résoudrait recevrait le prix Nobel. J'ai alors fait remarquer qu'un prix Nobel avait en effet été décerné à Susumu Tonegawa il y a plusieurs années pour exactement cette réalisation. Gish semblait ignorer non seulement la mutation somatique mais aussi la biochimie de base des gènes des anticorps qui a reçu une publicité considérable dans les journaux, les magazines et la télévision lorsque l'attribution du prix à Tonegawa a été annoncée.

Comment un scientifique légitime — adhérant aux normes normales de la recherche scientifique et de l'honnêteté — aurait-il réagi s'il était confronté à un argument qu'il ne connaissait pas et qui mettait en cause ses propres vues ? À mon avis, il aurait admis son ignorance sur ce sujet et reporté son jugement jusqu'à ce qu'il puisse examiner les détails de la science ; et après le débat, il aurait immédiatement vérifié la littérature relative au nouvel argument pour voir si ses propres vues nécessitaient une correction. En revanche, après que le Dr Gish eut entendu de ma part parler de la mutation somatique des gènes des anticorps lors d'un débat, et après avoir nié que la mutation somatique se produise, il a manifestement échoué à enquêter sur la littérature scientifique publiée sur cette question, puisqu'il a avancé le même faux argument lors de débats ultérieurs. Le Dr Gish était manifestement prêt à débattre contre un expert dans un domaine dont Gish ignorait presque tout. Je pense que ce bluff honteux devant un public naïf et confiant met en évidence le faible niveau de rigueur scientifique du porte-parole le plus vocal du « créationnisme scientifique ». Et compte tenu de ce faible niveau, il n'y a pas besoin d'hypothétiser un préjugé pour expliquer pourquoi ses arguments et ceux d'autres créationnistes sont rejetés par la communauté scientifique. D'autres exemples documentant le faible niveau de la rigueur scientifique de Gish se trouvent aux URL suivantes :

7. Futures mises à jour

J'accepte les réponses par courriel de la part des lecteurs. Cette publication sera mise à jour au besoin pour accueillir de telles réponses. En effet, plusieurs modifications de ce type ont déjà été apportées dans la version actuellement publiée.

Un brouillon de cet essai a été envoyé au Dr Gish pour commentaires en mars 1999 ; il a répondu qu'il fournirait une réfutation, mais qu'il était trop occupé pour répondre immédiatement. À la date de cette mise à jour, il n'a pas répondu. S'il fournit un jour une réfutation, cette publication sera mise à jour pour refléter sa réponse.