Africa-Press – Benin. Les tâches orange rebondissantes pourraient être du pop-corn dansant sur une plaque chauffante. Mais il y a quelque chose d’étrange dans leur façon de bouger. Les grains individuels tournent en cercles serrés. Ceux en couples font une danse lente de pas de deux . Un cluster effectue une rotation complète dans le sens inverse des aiguilles d’une montre avant de se disperser. Chaque collision déclenche un nouveau mouvement. Ils semblent suivre un schéma comportemental.
Ce qui ressemble à des grains de pop-corn dans cette image est en fait un essaim de “xénobots” microscopiques : de minuscules robots vivants, assemblés à partir de cellules de grenouilles.
Bien que les robots vivants puissent sembler un concept étrange, en fait, les premiers robots étaient faits de chair et non de métal. Le mot a été inventé en 1921 , dans une pièce du dramaturge tchèque Karel Ĉapek. Les robots universels de Rossum étaient une expérience de pensée dans la lignée de Frankenstein de Mary Shelley, sur le désir d’un scientifique de créer des personnes artificielles. “La nature n’a trouvé qu’une seule méthode pour organiser la matière vivante”, déclare Rossum, le scientifique en question. “Il existe cependant une autre méthode, plus simple, plus flexible et plus rapide, qui n’est pas encore venue à la nature.”
“Imaginez-le assis au-dessus d’un tube à essai et pensant à la façon dont tout l’arbre de la vie pousserait à partir de lui”, dit un autre personnage.
Au cours du siècle qui a suivi, cependant, les robots se sont développés comme des objets en acier et en fil de fer, plutôt que comme des tissus vivants. “L’ingénierie a évolué plus vite que la biologie”, explique Douglas Blackiston, biologiste du développement à l’Université Tufts. Mais la biologie rattrape rapidement son retard. Blackiston fait partie d’une équipe de scientifiques qui conçoivent des “xénobots”: de minuscules robots vivants, minutieusement construits à partir de tissus récoltés sur Xenopus laevis , la grenouille africaine à griffes.
Les premiers xénobots ont été révélés au monde début 2020 : de minuscules cubes formés de cellules de peau et propulsés par deux pattes trapues faites de muscle cardiaque. Ils ont été conçus par un algorithme informatique et construits à la main par des chercheurs dans le but de faire marcher les xénobots. (Par une heureuse coïncidence , Xenopus signifie “pied étranger”.) Ces automates organiques pourraient également travailler ensemble pour déplacer des particules dans leur environnement, et contrairement aux robots mécaniques, ils s’auto-guérissent lorsqu’ils sont blessés.
Mais si la pensée des robots organiques est assez étrange, les choses sont devenues vraiment bizarres avec la prochaine génération.
“Si je prenais toutes les pièces de votre voiture et que je les accrochais au hasard les unes aux autres, vous vous attendriez à ce que ce soit mauvais”, déclare Blackiston. “Mais il s’avère que la biologie a beaucoup plus de flexibilité que cela.” Les Xenobots 2.0 ont été formés à partir de cellules souches extraites d’embryons de grenouilles et laissés se développer sans dépendre de l’algorithme. Indépendamment, les cellules ont commencé à développer des plans corporels entièrement nouveaux. Des cils mobiles ressemblant à des cheveux poussaient sur toute leur surface – une caractéristique que l’on trouve généralement dans les poumons, mais ces cils ressemblaient davantage à des membres, s’agitant rapidement pour permettre au xénobot de nager dans son environnement. Dans cette image, un xenobot navigue dans un labyrinthe en forme de bretzel sans toucher les côtés.
Plutôt que de construire un têtard, les cellules souches ont répondu aux conditions uniques de l’environnement du laboratoire pour construire des corps totalement différents de leurs origines amphibiennes. Ils se sont auto-assemblés spontanément, en sautant (pour ainsi dire) l’évolution.
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Cherchant un moyen d’améliorer encore les performances des xenobots, Blackiston et son équipe ont demandé à l’IA de proposer une conception améliorée. Le plan d’IA a produit des xénobots en forme de Pacman avec des indentations qui ressemblent à des bouches. Cette troisième génération a eu une autre surprise : en rassemblant des centaines de cellules souches dans leur « bouche », ils ont pu façonner de nouveaux xénobots (comme le montre l’image en haut de cette page). En d’autres termes, ils avaient développé une toute nouvelle façon de se reproduire , contrairement à tout ce que l’on voit ailleurs dans la nature.
Les générations futures pourraient être développées en concevant les environnements avec lesquels elles interagissent. “Maintenant que nous comprenons les entrées du système”, déclare Blackiston, “nous examinons absolument comment nous pourrions faire en sorte que l’environnement aide à façonner les conceptions elles-mêmes – signaux chimiques, environnements collants, compression, etc.”
Alors que les humains dominent désormais presque tous les environnements sur Terre d’une manière ou d’une autre, un nouveau facteur est entré dans l’équation de l’évolution – nous.
Les xénobots sont “un organisme imparfait”, dit-il. Bien qu’ils répondent à la plupart des critères des systèmes vivants, leur reproduction implique de faire des “auto-copies fonctionnelles” – assembler de nouvelles versions qui se ressemblent et se comportent de la même manière mais ne sont pas identiques.
Pourtant, la création de xénobots pourrait être considérée comme un microcosme de quelque chose qui se passe beaucoup plus largement à travers le monde, car les organismes réagissent de manière créative aux pressions que nous leur imposons. Tous les êtres vivants sont en constante négociation avec leur environnement et c’est cette interaction qui est le moteur de l’évolution. Mais comme les humains dominent désormais presque tous les environnements sur Terre d’une manière ou d’une autre, un nouveau facteur est entré dans l’équation de l’évolution : nous.
Les humains ont façonné le corps d’autres créatures au moins depuis que les chiens ont été domestiqués il y a environ 30 000 ans . Mais la combinaison de l’agriculture industrialisée, des espèces introduites, de l’urbanisation, de la pollution et du changement climatique crée des pressions sélectives sans précédent. Nous sommes devenus la plus grande force évolutive du monde .
Le temps d’évolution – du moins pour les organismes plus grands et plus complexes – peut être lent . Cela laisse de nombreux animaux incapables de s’adapter assez rapidement pour faire face à une planète dominée par l’homme, avec une extinction actuellement jusqu’à 1 000 fois supérieure à la vitesse à laquelle on pourrait s’attendre à ce que les espèces disparaissent sans interférence humaine.
Mais un changement rapide est également possible, via une plasticité génomique intégrée qui permet aux animaux individuels de s’appuyer sur une gamme de plans corporels et de comportements les mieux adaptés aux nouvelles opportunités et pressions. Les soi-disant microévolutions peuvent se produire en l’espace d’une poignée de générations seulement. L’exemple le plus célèbre est peut-être le papillon de nuit poivré, qui est passé d’un blanc moucheté à une coloration noire en réponse à la suie et à la pollution de l’air provenant des cheminées de la révolution industrielle en Grande-Bretagne. Des chercheurs de l’Université de Liverpool ont identifié la mutation génétique à l’origine du changement de couleur et ont calculé quand cela aurait pu se produire – 1819.
La couleur changeante du papillon poivré a été observée pour la première fois en 1878, par un collectionneur de papillons qui a partagé sa découverte avec Charles Darwin. Le grand homme semble avoir ignoré la découverte, bien qu’elle ait été suggérée plus tard par d’autres comme preuve de ses idées sur la sélection naturelle. Le ” mélanisme industriel ” du papillon poivré était cependant un exemple de sélection non naturelle. Et ce n’était que le début.
Des changements de traits induits par l’homme ont été observés chez des animaux sur tous les continents autres que l’Antarctique .
Aujourd’hui, les abeilles ouvrières des ruches industrielles – transportées de ferme en ferme à travers les États-Unis dans des convois de camions – sont un tiers plus grandes que leurs cousines sauvages et plus dociles. Au cours des 100 dernières années, les oiseaux chanteurs nord-américains ont modifié la forme de leurs ailes pour faire face aux habitats fragmentés par la déforestation. Sous la pression du braconnage, les éléphants de Zambie naissent sans défenses. Depuis l’introduction des crapauds de canne en Australie en 1935, à l’origine pour lutter contre les infestations de coléoptères dans les plantations de canne à sucre, la bouche des serpents noirs s’est rétrécie au fur et à mesure que les générations suivantes ont appris à éviter les proies de la taille d’un crapaud, tandis que les crapauds eux-mêmes sont devenus des cannibales , victimes de leur propre succès en tant que prédateurs.
Les serpents de mer en Papouasie-Nouvelle-Guinée ont développé des corps plus foncés et perdent leur peau plus souvent en réponse aux toxines présentes dans les eaux polluées par le zinc qu’ils habitent. Une espèce de moustique a évolué pour ne vivre que dans les tunnels du métro de Londres et a perdu la capacité de se reproduire avec ses cousins de surface. Des déclins similaires de la diversité génétique ont été observés chez les moustiques dans les métros de New York et de Chicago . Les Blackcaps ont déplacé leurs routes de migration de la péninsule ibérique vers le Royaume-Uni à mesure que le changement climatique étend leur aire de répartition.
“Il n’y a jamais eu d’autre espèce qui ait si rapidement changé le cours de l’évolution”, déclare Sarah Otto, biologiste de l’évolution à l’Université de la Colombie-Britannique. « Darwin serait choqué !
Nous ne pouvons pas toujours savoir ce qui cause un changement particulier, dit Otto, qu’il s’agisse de la plasticité en action ou du début de la cladogenèse, où se forment des sous-populations distinctes. Mais il y a suffisamment d’exemples où le changement génétique est impliqué pour savoir que quelque chose de plus profond se passe.
” Les cygnes qui évitent les villes ont une différence génétique par rapport à ceux qui tolèrent les humains”, dit-elle. Et elle souligne la différence entre les blackcaps migrant au Royaume-Uni et les oiseaux qui migrent encore vers la péninsule ibérique comme étant “très clairement génétiques”. “Les jeunes portent cette différence”, dit-elle. De tels changements sont les premiers pas vers l’émergence d’une nouvelle espèce. “Les moustiques du métro de Londres sont un exemple où nous pourrions former une nouvelle niche et créer de nouvelles opportunités de spéciation”, ajoute Otto.
Je lui ai demandé si nous réduisions les possibilités d’évolution des espèces en interagissant avec leur environnement – 36 % des terres émergées de la planète sont consacrées à l’agriculture, alors que les milieux urbains du monde se ressemblent de plus en plus. Une étude a révélé que la masse de plastique est maintenant supérieure à toute la biomasse vivante . La biodiversité est une hémorragie due à l’activité humaine, selon de nombreuses analyses. “Nous homogénéisons la planète à certains égards”, convient-elle. “D’un autre côté, nous effectuons ces changements environnementaux vraiment extrêmes. Les environnements urbains sont entièrement différents de nos environnements agricoles.”
Les sites très pollués, comme les bassins de résidus miniers, représentent d’autres types d’extrêmes. Le dénominateur commun, c’est nous. L’évolution accélérée ne sera pas près de contrebalancer la crise d’extinction . Mais cela produira un monde de plus en plus défini par ces créatures et ces plantes qui peuvent vivre à nos côtés. “L’évolution est cet incroyable processus créatif et il ne va pas s’arrêter”, déclare Otto. “Il continuera à produire des variantes mieux à même de nous tolérer.”
Même les microbes sont soumis aux mêmes pressions humaines, dans certains cas favorisant l’innovation, dans d’autres l’inhibant. Les engrais agricoles peuvent transporter des bactéries vers de nouveaux environnements de sol, tout comme les moules zébrées et d’autres organismes envahissants se sont déplacés dans les eaux de ballast des navires, explique Otto. Selon le microbiologiste Michael Gillings, les grandes quantités d’antibiotiques déversées dans l’environnement – jusqu’à 500 millions d’exemplaires par jour uniquement à partir des excréments de porcs et de produits laitiers – s’apparentent à une espèce envahissante, accélérant le taux basal d’évolution microbienne . Dans le même temps, l’homogénéisation du règne mammifère signifie que de plus en plus de biomasse microbienne est composée des microbes intestinaux du nombre limité d’animaux que nous aimons manger ou vivre avec.
La naturaliste et animatrice Gillian Burke a passé sa vie à observer les communautés animales du monde entier. Je lui ai demandé de quel genre de changements elle avait été témoin. “Je dirais partout et tout”, dit Burke. “Là où j’ai grandi au Kenya, je me souviens d’un paysage qui semblait très fluide, où la terre et les cours d’eau se déplaçaient en tandem. Depuis les airs, vous pouvez voir que c’est maintenant devenu des carrés et des lignes droites.”
Est-il juste de dire que nous avons transformé la planète en une expérience géante sur l’évolution des espèces ? J’ai demandé. “Pour moi, ce langage est important car il implique que nous menons l’expérience, mais nous faisons partie de l’expérience”, déclare Burke. “Covid a été formidable pour nous le rappeler. Nous sommes la pression de sélection qui entraîne les variantes – plus il circule, plus le virus mute. Un vaccin est une nouvelle innovation, mais ensuite le virus dit, ‘OK, je “Je vais juste dévier et faire autre chose”. Nous sommes dans l’expérience.”
La cacophonie urbaine signifie que certains oiseaux ne peuvent pas apprendre correctement les chansons de leurs parents.
La plupart des gens auraient remarqué des changements dans le comportement des animaux pendant le confinement, ajoute-t-elle. Les oiseaux chanteurs des zones urbaines ont appris à chanter plus fort pour faire face à la circulation et aux autres bruits ambiants. “Mais le premier verrouillage a été la première fois que les gens ont pu en faire l’expérience”, dit-elle. “Les gens ont dit : “Oh, c’est calme, maintenant on entend les oiseaux”. Mais les oiseaux peuvent aussi s’entendre pour la première fois !”
Le comportement animal est une culture, selon Burke, et ces cultures évoluent en réponse à la pression humaine. Les éléphants transmettent des connaissances et des informations de génération en génération, y compris les routes de migration, dit-elle. Mais cet héritage culturel est modifié à mesure que les braconniers et les zones de conflit empiètent et que le changement climatique rend plus difficile la recherche de nourriture et d’eau. D’autres cultures animales sont également en déclin. La cacophonie urbaine signifie que certains oiseaux ne peuvent pas apprendre correctement les chants de leurs parents. Les baleines à bosse sont également des apprenants vocaux, chaque population partageant un chant distinct dont la complexité évolue au contact d’autres groupes. Mais le bruit marin de la navigation amène certains à modifier leurs chansons ou même à se taire.
La culture a également joué un rôle dans l’évolution humaine. Nous avons accéléré notre propre évolution en l’externalisant : comme l’explique Gaia Vince dans son livre Transcendance , la technologie nous a permis d’adopter de nouvelles capacités sans changer notre corps. La culture partagée nous a donné accès à un esprit collectif, une vaste réserve d’informations et de perspicacité.
Une grande partie de cette innovation a été empruntée aux animaux ou a cherché à reproduire ce qu’ils pouvaient faire. Les outils de pierre imitaient les dents coupantes des prédateurs. Les premières technologies s’appuyaient sur des tissus vivants tels que les peaux d’animaux et les ligatures végétales. Les sociétés humaines se sont développées en empruntant et en apprenant à ressembler aux animaux. Maintenant – ironiquement, alors que tant d’espèces sont obligées de s’adapter à la vie sur une planète humaine – le monde dans lequel nous vivons est de plus en plus calqué sur les corps et les comportements d’autres créatures.
“Nous sommes entourés de génies”, explique la biologiste Janine Benyus, qui a popularisé le terme de biomimétisme , “une nouvelle discipline qui essaie d’apprendre de ces génies”. Les termitières ont inspiré une conception de climatisation plus efficace. L’un des trains les plus rapides au monde atteint des vitesses de 186 mph (299 km/h) en imitant la forme du bec du martin -pêcheur . Nous avons créé des aiguilles chirurgicales plus fines à base de trompe de moustique , des enregistreurs à boîte noire inspirés des propriétés d’absorption des chocs des crânes de pic , de meilleures combinaisons après les peaux de loutre de mer et des billets de banque difficiles à contrefaire qui imitent l’irisation des ailes de papillon .
L’ingéniosité animale offre également de nouvelles idées pour s’attaquer à certains de nos problèmes environnementaux les plus urgents. Le biomimétisme peut aider à la production d’énergie renouvelable, des pales aérodynamiques des éoliennes qui imitent les surfaces bosselées des nageoires des baleines à bosse ou la forme des ailes des colibris , aux panneaux solaires qui suivent le Soleil comme des tournesols . Les alternatives au béton peuvent imiter la façon dont les coraux construisent leurs structures en puisant des minéraux dans l’eau de mer, “faisant croître” les villes du futur tout en emprisonnant l’excès de carbone dans les fondations et les tissus des bâtiments. Les filtreurs naturels comme les huîtres peuvent aider à restaurer les habitats marins appauvris.
Même les microbes peuvent jouer un rôle. Une bactérie, Ideonella sakaiensis , a évolué pour métaboliser le polyéthylène téréphtalate (PET), tandis qu’un microbe commun du sol, Methylorubrum extorquens , produit une protéine qui peut lier l’américium et le curium, deux des composants les plus dangereux et les plus durables des déchets nucléaires.
Les Xenobots pourraient également avoir un impact positif sur la planète. Le mot robot dérive du tchèque robota , qui signifie travail forcé, et les générations suivantes de xénobots pourraient être mises au travail pour nettoyer une partie de nos dégâts. Les robots biologiques pourraient éliminer les microplastiques de l’océan ou les contaminants des sols pollués. Les xénobots qui transportent une protéine particulière brillent en vert sous certaines longueurs d’onde, mais deviennent rouges lorsqu’ils sont exposés à d’autres, “se souvenant” de leur exposition des heures plus tard.
“Vous pourriez les concevoir pour détecter des produits chimiques particuliers, presque comme un programme informatique qui dit” si vous détectez un matériau toxique, nagez vers lui, libérez un produit chimique qui réagit avec la toxine “”, explique Blackiston. Les mêmes propriétés pourraient avoir des applications médicales, avec des xénobots effectuant des traitements non intrusifs ou recherchant des maladies.
Dans leur forme actuelle, une fois la nourriture stockée dans leurs cellules épuisée, les xénobots périraient tout simplement. La perspective de voir évoluer des moyens d’obtenir de l’énergie à partir de leur environnement est lointaine. “Une biopsie cutanée ne peut pas survivre en la plaçant dans l’eau”, explique Blackiston. “Il a besoin d’un environnement de culture cellulaire très contrôlé. De même, les grenouilles dans la nature perdent souvent des cellules cutanées, et ces cellules ne se propagent pas ou n’évoluent pas pour obtenir de l’énergie.”
Blackiston le fait, mais voit un avenir dans lequel l’évolution prend des tournants surprenants. “Nous verrons les humains et les ordinateurs s’orienter de plus en plus vers la conception de systèmes vivants à mesure que nous progressons dans la bio-ingénierie, la biologie des cellules souches et la biologie computationnelle”, dit-il. Il est essentiel que les scientifiques mènent leurs recherches en public : “J’espère que nous verrons des éthiciens, des avocats et des membres de la communauté s’impliquer davantage dans la conception de la recherche, et pas seulement commenter la technologie une fois qu’elle est sortie du laboratoire et dans le monde.”
La nouvelle génération de xénobots témoigne de l’incroyable plasticité de la vie. Mais malgré toutes leurs promesses, ils nous rappellent aussi à quel point les animaux sont souvent obligés d’adapter leur corps pour faire face à un monde dominé par nous. Il reste à voir combien d’espèces peuvent suivre le rythme d’une planète en évolution rapide. Ce qui est certain, c’est qu’à mesure que notre expérience imprévue à l’échelle de la planète sur l’adaptabilité des êtres vivants s’accélère, l’invention animale est testée comme jamais auparavant.
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