Les herbivores qui parcourent la savane africaine sont massifs, et ils mangent beaucoup. Pourtant, d’une manière ou d’une autre, ils parviennent tous à vivre à peu près au même endroit, soutenus par le même environnement à la végétation clairsemée. En 2013, les écologistes ont voulu savoir exactement comment cela fonctionnait. Cependant, comme les éléphants, les zèbres, les buffles et les impalas parcourent de nombreux kilomètres pour se nourrir et qu’ils n’aiment pas que les humains fouineurs les regardent manger, il était presque impossible de comprendre leur régime alimentaire.
Les chercheurs en sont restés, comme souvent, à scruter les crottes. Mais les plantes digérées étaient impossibles à identifier par les seuls yeux humains. Donc pour cette énigme, ils se sont tournés vers ce qui était une technique génétique relativement nouvelle : Les écologistes ont apporté des échantillons au laboratoire et ont analysé l’ADN des restes de plantes, à la recherche d’un gène spécifique connu sous le nom de cytochrome c oxydase I. En raison de son emplacement dans les mitochondries de la cellule, ce gène, connu sous le nom de COI, a un taux de mutation environ trois fois supérieur à celui des autres formes d’ADN. Cela signifie qu’il montre plus distinctement les différences génétiques entre des organismes même très proches, ce qui en fait un moyen utile de distinguer les espèces dans des groupes allant des oiseaux aux papillons, comme l’étiquette à l’intérieur de votre chemise ou le code-barres d’une épicerie.

Pour cette méthode ingénieuse, appelée à juste titre code-barres ADN, nous pouvons remercier un généticien qui s’est retrouvé lassé des méthodes « stressantes » et longues de la taxonomie traditionnelle. Paul Hebert, biologiste moléculaire à l’Université de Guelph au Canada, se souvient d’une nuit humide et nuageuse qu’il a passée à collecter des insectes dans une feuille en tant que chercheur postdoctoral en Nouvelle-Guinée.

« Lorsque nous les avons triés morphologiquement le lendemain, nous avons réalisé qu’il y avait des milliers d’espèces qui étaient arrivées », dit Hebert. Beaucoup d’entre elles, pour autant qu’il puisse en juger, n’avaient jamais été décrites par la science. « J’ai réalisé cette nuit-là que j’avais rencontré assez de spécimens pour me tenir occupé pour le reste de ma vie », dit-il.

Hébert poursuit : « C’est à ce moment-là que j’ai à peu près… réalisé que la taxonomie morphologique ne pouvait pas être le moyen d’enregistrer la vie sur notre planète. » Il a donné ses collections de spécimens et s’est orienté vers d’autres recherches en biologie évolutive de l’Arctique – les « habitats à plus faible diversité d’espèces que je pouvais trouver », selon ses mots – mais le sujet de la mesure de la biodiversité de la Terre a toujours persisté dans le fond de son esprit.

La technologie a continué à progresser au milieu des années 1990, permettant aux chercheurs d’isoler et d’analyser des morceaux d’ADN de plus en plus petits. Hebert, qui travaillait en Australie en tant que chercheur invité, a décidé de commencer à « jouer » en séquençant l’ADN de différents organismes et en recherchant une séquence unique qui pourrait être facilement isolée et utilisée pour distinguer rapidement les espèces. « J’ai choisi une région du gène mitochondrial qui s’est avérée efficace dans de nombreux cas », explique-t-il. C’était le COI.

Hebert a décidé de tester sa méthode dans son propre jardin, en collectant des dizaines d’insectes et en leur attribuant un code-barres. Il a constaté qu’il pouvait distinguer facilement les insectes. « Je me suis dit ‘Hé, si ça marche sur 200 espèces dans mon jardin, pourquoi ça ne marcherait pas sur la planète ? »

Et, à quelques exceptions près, c’est le cas.

En utilisant cette technique, les chercheurs de l’étude de 2013 sur la savane ont pu reconstituer les régimes alimentaires variés de ces animaux coexistants. « Nous pouvions dire tout ce que les animaux mangeaient grâce au code-barres de leurs excréments », explique W. John Kress, conservateur de botanique au Musée national d’histoire naturelle du Smithsonian, qui a collaboré à l’étude. En informant les gestionnaires de la faune et les scientifiques sur les herbes dont se nourrit chaque animal, ces résultats « pourraient avoir un impact direct sur la conception de nouvelles zones de conservation pour ces animaux », dit Kress.

Il a également donné aux écologistes une image plus large de la façon dont l’ensemble de l’écosystème fonctionne ensemble. « Maintenant, vous pouvez voir comment ces espèces coexistent réellement dans la savane », dit Kress. Aujourd’hui, l’idée même de ce qui fait une espèce est en train de changer, grâce au codage à barres de l’ADN et à d’autres techniques génétiques.

Depuis l’époque de Darwin, les taxonomistes ont trié les espèces en fonction de ce qu’ils pouvaient observer. C’est-à-dire que si cela ressemble à un canard, marche comme un canard, et sonne comme un canard – jetez-le dans la pile des canards. L’avènement du séquençage de l’ADN dans les années 1980 a changé la donne. Désormais, en lisant le code génétique qui fait d’un organisme ce qu’il est, les scientifiques peuvent glaner de nouvelles informations sur l’histoire de l’évolution des espèces. Cependant, la comparaison des millions ou des milliards de paires de bases qui composent le génome peut être une proposition coûteuse et longue.

Avec un marqueur comme la cytochrome c oxydase I, vous pouvez repérer ces distinctions plus rapidement et plus efficacement. Le code-barres peut vous dire en quelques heures – c’est le temps qu’il faut pour séquencer un code-barres ADN dans un laboratoire de biologie moléculaire bien équipé – que deux espèces qui ont exactement la même apparence en surface sont sensiblement différentes au niveau génétique. Pas plus tard que l’année dernière, des scientifiques chiliens ont utilisé le code-barres de l’ADN pour identifier une nouvelle espèce d’abeille qui avait échappé aux chercheurs d’insectes au cours des 160 dernières années.

En travaillant avec Hebert, des experts comme le conservateur de l’entomologie du Musée national d’histoire naturelle, John Burns, ont pu distinguer de nombreux organismes que l’on croyait autrefois être la même espèce. Selon M. Burns, les progrès de cette technique permettent désormais aux chercheurs d’établir des codes-barres pour des spécimens de musées datant des années 1800, ce qui ouvre la possibilité de reclasser des définitions d’espèces établies de longue date. Un an après qu’Hebert ait présenté le codage à barres de l’ADN, Burns l’a lui-même utilisé pour identifier un tel cas – une espèce de papillon identifiée dans les années 1700 qui s’est avérée être en fait 10 espèces distinctes.

Pincer les définitions obscures des espèces a des ramifications en dehors du milieu universitaire. Cela peut donner aux scientifiques et aux législateurs une meilleure idée du nombre et de la santé d’une espèce, des informations cruciales pour les protéger, explique Craig Hilton-Taylor, qui gère la « liste rouge » de l’Union internationale pour la conservation de la nature. Alors que l’organisation s’appuie sur différents groupes d’experts qui peuvent travailler à partir de perspectives différentes sur la meilleure façon de définir une espèce, le codage à barres de l’ADN a aidé beaucoup de ces groupes à discriminer plus précisément entre les différentes espèces.

« Nous leur demandons de penser à toutes les nouvelles preuves génétiques qui arrivent maintenant », dit Hilton-Taylor des procédures de l’UICN aujourd’hui.

Bien que novatrice, la technique originale de codage à barres avait des limites. Par exemple, elle ne fonctionnait que sur les animaux, pas sur les plantes, car le gène COI ne mutait pas assez vite chez les plantes. En 2007, Kress a contribué à étendre la technique d’Hebert en identifiant d’autres gènes qui mutent aussi rapidement chez les plantes, ce qui a permis de réaliser des études comme celle de la savane.

Kress se rappelle comment, à partir de 2008, lui et un de ses anciens collègues, l’écologiste Carlos García-Robledo de l’Université du Connecticut, ont utilisé le codage à barres de l’ADN pour comparer les différentes plantes dont se nourrissaient les différentes espèces d’insectes dans la forêt tropicale du Costa Rica. Ils ont pu collecter des insectes, les broyer et séquencer rapidement l’ADN de leurs entrailles pour déterminer ce qu’ils mangeaient.

Auparavant, García-Robledo et d’autres scientifiques auraient dû suivre fastidieusement les insectes et documenter leur régime alimentaire. « Cela peut prendre des années à un chercheur pour comprendre pleinement les régimes alimentaires d’une communauté d’insectes herbivores dans une forêt tropicale humide sans l’aide des codes-barres ADN », a déclaré Garcá-Robledo à Smithsonian Insider dans une interview de 2013.

Ils ont depuis été en mesure d’étendre cette recherche en examinant comment le nombre d’espèces et leurs régimes alimentaires diffèrent à différentes altitudes, et comment la hausse des températures due au changement climatique pourrait avoir un impact à cet égard, les espèces étant obligées de se déplacer de plus en plus haut. « Nous avons développé un réseau entier et complexe de la façon dont les insectes et les plantes interagissent, ce qui était impossible à faire auparavant », explique Kress.

« Soudain, d’une manière beaucoup plus simple, en utilisant l’ADN, nous avons pu réellement suivre, quantifier et répéter ces expériences et comprendre ces choses d’une manière beaucoup plus détaillée », ajoute-t-il. Kress et d’autres chercheurs utilisent également le codage à barres pour analyser des échantillons de sol afin d’identifier les communautés d’organismes qui y vivent. Le codage à barres est également prometteur pour aider à identifier les restes de matériel génétique trouvés dans l’environnement.

« Pour les écologistes », dit Kress, « le codage à barres de l’ADN ouvre vraiment une toute autre façon de suivre les choses dans les habitats où nous ne pouvions pas les suivre auparavant. »

En permettant aux scientifiques de scruter un gène spécifique au lieu de devoir séquencer des génomes entiers et de les comparer, Hebert avait espéré que sa méthode permettrait d’effectuer l’analyse et l’identification génétiques beaucoup plus rapidement et à moindre coût que le séquençage complet. « Les 14 dernières années ont montré que cela fonctionne beaucoup plus efficacement et que c’est beaucoup plus simple à mettre en œuvre que je ne l’avais prévu », dit-il maintenant.

Mais il voit encore des progrès à faire. « Nous sommes vraiment aux prises avec des données inadéquates en termes d’abondance et de distribution des espèces », dit Hebert à propos des défenseurs de la nature. L’amélioration rapide de la technologie permettant d’analyser les échantillons d’ADN plus rapidement et avec moins de matériel requis, associée au codage à barres de l’ADN, offre une solution, selon Hebert, les scanners modernes étant déjà capables de lire des centaines de millions de paires de bases en quelques heures, par rapport aux milliers de paires de bases qui pouvaient être lues dans le même temps par les technologies antérieures.

Hebert envisage un avenir où l’ADN est collecté et séquencé automatiquement à partir de capteurs dans le monde entier, permettant aux conservationnistes et aux taxonomistes d’accéder à de vastes quantités de données sur la santé et la distribution de diverses espèces. Il travaille actuellement à l’organisation d’une bibliothèque mondiale de codes-barres ADN que les scientifiques pourront utiliser pour identifier rapidement un spécimen inconnu – un peu comme un véritable Pokedex.

« Comment pourriez-vous prédire le changement climatique si vous releviez la température en un point de la planète ou un jour par an ? ». fait remarquer Hebert. « Si nous voulons être sérieux au sujet de la conservation de la biodiversité, nous devons simplement changer complètement notre point de vue sur la quantité de surveillance qui sera nécessaire. »