Laurent tourelle
Jusqu’à présent, l’identification des têtes d’animaux était généralement aisée, mais les étoiles de mer posaient un défi aux scientifiques.
Les étoiles de mer, avec leurs cinq bras identiques et une couche de « pieds tubulaires » en dessous pour se déplacer le long du fond marin, ont longtemps intrigué les naturalistes quant à l’existence d’extrémités avant et arrière définies, voire d’une tête.
Cependant, de nouvelles recherches génétiques suggèrent le contraire : les étoiles de mer sont essentiellement des têtes sans torse ni queue, ayant probablement perdu ces caractéristiques au fil de l’évolution. Les chercheurs soulignent que les étranges fossiles des ancêtres des étoiles de mer, qui semblaient présenter une sorte de torse, prennent davantage de sens à la lumière de ces nouvelles découvertes.
Les résultats ont été publiés mercredi dans la revue Nature .
« C’est comme si l’étoile de mer n’avait absolument pas de tronc et pouvait être mieux décrite comme une simple tête se déplaçant le long du fond marin », a déclaré Laurent Formery, chercheur postdoctoral à l’Université de Stanford et à l’Université de Californie à Berkeley, l’auteur principal de l’étude. « Ce n’est en aucun cas ce que les scientifiques avaient supposé à propos de ces animaux. »
Grâce aux nouvelles méthodes de séquençage génétique, ces découvertes pourraient apporter des réponses à certaines des grandes énigmes concernant les échinodermes, notamment leur lien ancestral avec des espèces aussi variées que les humains et d’autres animaux qui leur semblent étrangers.
Un plan corporel unique Les étoiles de mer font partie du groupe des échinodermes, qui comprend également les oursins, les étoiles de mer et les concombres de mer. Ces animaux atypiques possèdent des plans corporels singuliers, organisés en cinq sections égales, une caractéristique bien différente des corps symétriques tête-queue des animaux bilatéraux, dont les côtés gauche et droit se reflètent.
Les étoiles de mer commencent sous forme d’œufs fécondés qui évoluent en larves flottant dans l’océan, telles des planctons, pendant plusieurs semaines, voire des mois, avant de s’installer au fond de l’océan. Là, elles subissent un processus de transformation qui convertit un corps bilatéral en une forme d’étoile ou un corps pentaradial.
« Cela reste un mystère zoologique depuis des siècles », a affirmé Christopher Lowe, coauteur principal de l’étude et biologiste marin et du développement à l’Université de Stanford. « Comment peut-on passer d’un plan corporel bilatéral à un plan pentaradial, et comment peut-on faire des comparaisons avec n’importe quelle partie de l’étoile de mer par rapport à notre propre plan corporel ? »
Le plan corporel bilatéral de la plupart des animaux est le résultat d’actions génétiques au niveau moléculaire qui peuvent être retracées dans les régions de la tête et du tronc, ou du corps principal. C’est pourquoi les vertébrés, tels que les humains, et de nombreux invertébrés, comme les insectes, partagent une programmation génétique similaire, une découverte qui a été récompensée par le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1995.
Cependant, les échinodermes partagent un ancêtre commun avec les animaux bilatéraux, ajoutant une couche de complexité au casse-tête que les chercheurs tentent de résoudre.
« La relation entre les différentes parties du corps des échinodermes et celles que nous observons chez d’autres groupes d’animaux reste un mystère pour les scientifiques depuis aussi longtemps que nous les étudions », a déclaré le Dr Jeff Thompson, co-auteur de l’étude et maître de conférences à l’Université de Washington à Southampton. « Chez leurs parents bilatéraux, le corps est divisé en tête, tronc et queue. Cependant, rien qu’en observant une étoile de mer, il est impossible de discerner comment ces sections sont liées aux corps des animaux bilatéraux. »
Les chercheurs à l’origine de cette nouvelle étude ont utilisé la tomodensitométrie pour obtenir une vision tridimensionnelle inédite de la forme et de la structure des étoiles de mer.
Ensuite, ils ont employé des techniques analytiques avancées pour repérer les endroits où les gènes étaient exprimés dans les tissus et identifier des séquences spécifiques d’ARN dans les cellules. L’expression d’un gène se produit lorsque l’information contenue dans un gène devient fonctionnelle.
Des marqueurs moléculaires spécifiques jouent le rôle de plans de corps, guidant chaque cellule vers la région du corps à laquelle elle appartient.
« Si vous enlevez la peau d’un animal et examinez les gènes impliqués dans la définition d’une tête à partir d’une queue, les mêmes gènes codent pour ces régions du corps dans tous les groupes d’animaux », explique Lowe. « Nous avons donc mis de côté l’anatomie et nous sommes posé la question : existe-t-il un axe moléculaire caché sous toute cette anatomie étrange, et quel est son rôle dans la formation d’une étoile de mer selon un plan corporel pentaradial ? »
En combinant ces données, les chercheurs ont élaboré une carte 3D pour suivre l’expression génique au fur et à mesure du développement et de la croissance des étoiles de mer. L’équipe a identifié les gènes qui orchestrent le développement de l’ectoderme de l’étoile de mer, englobant sa peau et son système nerveux.
Des signatures génétiques liées au développement d’une tête ont été repérées dans toute l’étoile de mer, particulièrement concentrées au centre de l’étoile et au centre de chaque bras. Cependant, l’expression génique des parties du tronc et de la queue était largement absente, révélant que les étoiles de mer représentent « le cas le plus remarquable de découplage des régions de la tête et du tronc que nous connaissions aujourd’hui », selon Formery, également chercheur au Chan Zuckerberg Biohub, une organisation de recherche à but non lucratif basée à San Francisco.
Cette recherche a bénéficié du financement du Chan Zuckerberg Biohub, fondé en 2016 par le Dr Priscilla Chan et Mark Zuckerberg, ainsi que de la NASA, de la National Science Foundation et du Leverhulme Trust.
En comparant l’expression génique des étoiles de mer à celle d’autres groupes d’animaux, tels que les vertébrés, nous avons constaté qu’il manquait une partie cruciale du plan corporel », explique Thompson. « Les gènes généralement impliqués dans la configuration du tronc de l’animal n’étaient pas exprimés dans l’ectoderme. Il semble que l’ensemble du plan corporel des échinodermes soit à peu près équivalent à celui de la tête d’autres groupes d’animaux.
Les étoiles de mer et d’autres échinodermes ont probablement développé leurs plans corporels uniques une fois que leurs ancêtres ont perdu leur région du tronc, ce qui leur a permis de se déplacer et de se nourrir de manière différente des autres animaux.
« Nos recherches indiquent que le plan corporel des échinodermes a évolué de manière plus complexe qu’on ne le pensait auparavant, et il reste encore beaucoup à apprendre sur ces créatures intrigantes », déclare Thompson. « En tant que chercheur les étudiant depuis dix ans, ces découvertes ont radicalement changé ma façon de penser à ce groupe d’animaux. »
Cette recherche, bien que moins courante dans l’étude des animaux, pourrait aider à résoudre certains des mystères les plus complexes de l’évolution de la vie sur Terre.
« La plupart des animaux n’ont pas un système nerveux spectaculaire et ne chassent pas de proies : ce sont des créatures modestes vivant dans des terriers dans l’océan. Les gens ne sont généralement pas attirés par ces animaux, et pourtant, ils représentent probablement le début de la vie », explique Lowe.
Comprendre le développement d’animaux tels que les étoiles de mer pourrait également éclairer les différentes façons dont différentes espèces maintiennent leur santé.
« Travailler sur des organismes moins étudiés est certainement plus difficile », admet le co-auteur de l’étude, Daniel Rokhsar. « Cependant, explorer des animaux inhabituels qui fonctionnent de manière inhabituelle élargit notre perspective de la biologie, ce qui finira par nous aider à résoudre des problèmes écologiques et biomédicaux. »
