C’est le printemps en Angleterre. Les jonquilles sont en pleine floraison. Une reine guêpe jaune (Vespule) la guêpe émerge de votre colombier, stupide d’hibernation et avide de nectar. Elle commence à construire un nid de papier dans lequel élever une famille. Ce sera une grande famille. Mais pour l’instant, elle travaille seule.
Les guêpes sont mal étudié par rapport à d’autres insectes sociaux, comme les abeilles et les fourmis. Mais les sociétés de guêpes sont un exemple fascinant d’insecte social (un insecte qui vit en groupe) parce que leurs sociétés sont si variées. La comparaison de leur composition génétique avec d’autres insectes sociaux aide à renforcer notre comprendre comment les sociétés animales ont évolué.
Mon équipe a séquencé les gènes impliqués dans le comportement social de neuf espèces de guêpes pour explorer ce qui fait une reine (ou une ouvrière). Ce que nous avons trouvé remet en question une vision scientifique populaire sur la machinerie moléculaire qui fait fonctionner les sociétés d’insectes.
La division partagée du travail, sous la forme de reines et de castes ouvrières, est le secret du succès de tous les insectes sociaux. Les castes ont évolué indépendamment au moins huit fois chez les hyménoptères – c’est-à-dire les abeilles, les guêpes et les fourmis.
Lorsque sa première couvée éclot, la reine Yellowjacket devient une productrice d’œufs dévouée. Sa progéniture ouvrière prendra en charge l’extension du nid et la recherche de proies pour nourrir les bébés frères et sœurs. Les ouvrières ne seront jamais reines. Comme les tissus de votre corps, la reine et ses ouvrières se partagent les tâches de la société : une coopération sans faille entre deux formes de guêpes.
Socialisation qui vient avec une piqûre
En revanche, dans d’autres sociétés, comme Métapolybie guêpes à Trinidad, de nombreuses reines et ouvrières chercheront ensemble un nouveau lieu de nidification. L’essaim sélectionne un tronc d’arbre et commence à construire un nid de papier qui ressemble à une bouse de vache.
Pour l’instant, il y a beaucoup de reines et beaucoup d’ouvrières, mais après quelques semaines de croissance du nid, une seule reine règne. Les scientifiques ne savent pas comment la reine est choisie, mais ceux qui ne font pas le montage final agissent comme des ouvrières. Jeune Métapolybie les ouvrières sont « totipotentes » ce qui veut dire qu’elles peuvent devenir reine si la reine résidente décède. Les travailleurs plus âgés, cependant, ont traversé une forme de « ménopause » d’insecte et ne peuvent pas se reproduire.
D’autres sociétés de guêpes sont plus simples. Prendre la Polistes des guêpes à papier qui vivent le long des rives du canal de Panama, où leurs nids pendent comme les semelles de vieilles chaussures aux arbres, aux ponts et aux maisons. Des dizaines de corps de châtaignier reposent sur un nid : chaque femelle est totipotente, mais une seule guêpe est reine à la fois. Lorsque la reine meurt, la hiérarchie s’effondre et ils se battre férocement pour la remplacer.
Grâce aux progrès de la biologie moléculaire, nous savons maintenant que les reines et les ouvrières des sociétés d’insectes sont des expressions différentes du même génome (l’ensemble des instructions d’ADN trouvées dans une cellule). Les différences physiologiques et comportementales qui permettent aux castes d’accomplir leurs tâches spécialisées sont dues au fait que les gènes partagés de la colonie sont activés différemment. Des centaines de gènes séparent les reines des ouvrières chez l’abeille. Certains des mêmes gènes séparent les castes chez les fourmis de feu, les bourdons et les guêpes cartonnières. Il y a un boîte à outils sociale partagée.
Du moins, les scientifiques le pensaient.
Ce que nous avons appris
Un problème est que la comparaison des données entre différentes espèces, méthodes et laboratoires est délicate. Vous ne comparez pas comme pour comme. Les chercheurs ont tendance à se concentrer sur un quelques espèces populaires et différents laboratoires peuvent générer des résultats dans différentes façons. Il est difficile de comparer des ensembles de données car il est facile de tomber dans le piège de sélectionner les gènes que nous nous attendons à voir dans une boîte à outils sociale pour les « suspects habituels ».
Mon équipe a examiné la situation dans son ensemble. Nous avons séquencé les gènes activé dans le cerveau de neuf genres (classes biologiques) de guêpes sociales du monde entier, y compris des représentants de certaines des sociétés les plus simples et les plus complexes connues dans le règne animal. Nous nous sommes concentrés sur les cerveaux parce que les différences dans l’activation du génome cérébral façonnent le comportement comme la recherche de nourriture, l’accouplement et la construction du nid, et la physiologie, comme la production d’œufs. Nous avons également utilisé les mêmes techniques d’échantillonnage et de séquençage pour toutes nos espèces.
Nous avons utilisé l’intelligence artificielle (IA) parce que les ordinateurs sont meilleurs pour repérer les modèles que les humains, car ils peuvent traiter plus rapidement des modèles plus complexes. Ils sont aussi plus objectifs. L’ordinateur a été formé pour identifier les castes. Nous lui avons ensuite demandé de classer les échantillons en tant que reines ou ouvrières, en fonction des modèles d’activation des gènes dans un échantillon.
Si l’hypothèse de la boîte à outils sociale était correcte, nous aurions dû voir des pans entiers de profils d’activation partagés pour les reines et les ouvrières de toutes les espèces.
Les machines ont trouvé des preuves de cela. A partir de plus de 5 000 gènes orthologues (gènes partagés par toutes les espèces), l’ordinateur a correctement identifié les reines et les ouvrières pour sept des neuf espèces. Curieusement, les résultats ont montré que les reines sont caractérisées par des gènes plus inactifs que les ouvrières, peut-être parce que les ouvrières effectuent un répertoire de tâches plus large, tandis que les reines sont des spécialistes de la ponte.
Mais la complexité d’une société compte aussi. Nos méthodes d’IA ont montré que la boîte à outils moléculaire partagée fournit la recette de base suffisante pour des sociétés plus simples. Mais des processus moléculaires supplémentaires sont nécessaires pour les sociétés plus complexes. Surtout ceux qui sont des superorganismes, comme les guêpes jaunes.
La machinerie utilisée pour créer une guêpe à papier totipotente n’est pas nécessairement la même que celle requise pour fabriquer une guêpe jaune stérile engagée à vie.
Nos résultats ont montré que la boîte à outils moléculaire pour la vie sociale est plus complexe qu’on ne le pensait auparavant. L’étude de mon équipe a révélé que le type de colonie influence la façon dont l’évolution bricole les éléments constitutifs de la vie pour créer des sociétés.
L’histoire de la vie complique encore plus cela. Qu’une espèce construise de nouveaux nids seule (comme la guêpe jaune) ou avec un essaim d’autres reines et ouvrières (comme Métapolybie) peut également influencer la boîte à outils sociale.
Limiter notre attention scientifique à quelques espèces populaires nous a donné une vision aveugle de la grande expérience de l’évolution : les sociétés. La transition de groupes simples (comme les guêpes cartonnières) aux machines très complexes des superorganismes (comme les guêpes jaunes) peut nécessiter un changement fondamental de la machinerie moléculaire. Comme tous les plus grands défis de la vie, l’innovation est la clé du succès.
