Virtual ecosystem sheds new light on how species develop

Un écosystème virtuel jette un éclairage nouveau sur le développement des espèces

29 avril 2013

Si Charles Darwin était toujours en vie, il voudrait probablement travailler avec Robin Gras.

Sans l’aide de technologies modernes comme le calcul de haute performance, Darwin a élaboré sa théorie de la sélection naturelle qui explique la souche commune de toutes les espèces sur Terre.

Cependant, la science n’explique toujours pas le processus même de spéciation ou de naissance de diverses espèces d’un seul patrimoine génétique. Titulaire de la Chaire de recherche du Canada en heuristique de la bioinformatique et professeur d’informatique à la University of Windsor, Robin Gras a mis au point un monde virtuel pour tenter d’éclairer ce processus. Il espère que les biologistes, les généticiens et les écologistes se tourneront vers ce monde virtuel pour trouver des réponses aux questions qui demeurent largement en suspens depuis que Darwin a publié, en 1859, l’ouvrage intitulé De l’origine des espèces.

 « La grande question est de savoir comment les espèces apparaissent », avance le chercheur nommé conjointement au département de biologie et au Great Lake Institute for Environmental Research. « Comment se fait-il qu’il existe des espèces différentes? Quels mécanismes permettent d’obtenir ce résultat? »



Robin Gras a mis au point un monde virtuel pour tenter
d’expliquer l’évolution et les interactions des diverses
espèces. Le cliché ci-dessus représente une simulation
faisant intervenir plusieurs espèces de prédateurs (points
blancs) et leurs proies (points colorés, une couleur
par espèce). Comme l’illustre la séparation des couleurs,
lorsque la simulation proie-prédateur est en cours, les
membres se rassemblent et forment des modèles d’espèces
et de migration.
Mention de source : Robin Gras/University of Windsor

Robin Gras et son équipe ont mis au point un monde virtuel sous la forme d’un écosystème complexe fonctionnant grâce à un réseau de calcul de haute performance appelé Sharcnet. Cet écosystème est formé d’organismes virtuels, tous programmés avec des renseignements génétiques et dotés de la capacité de fuir, de se battre, de migrer, de chasser, de se nourrir et de se reproduire, et ce, 24 heures par jour. Le chercheur peut ainsi vérifier de temps à autre si de nouvelles espèces sont apparues ou si d’autres se sont éteintes.

Au cours de l’une de ses dernières expériences ‒ expliquée dans un article publié dans la revue spécialisée Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences ‒ Robin Gras a ajouté des obstacles qui touchent de un à dix pour cent du million de « cellules » du monde virtuel. Dans la réalité, ces obstacles seraient des forêts, des rivières ou des chaînes de montagnes ‒ tout ce qui pourrait réduire les chances que certaines espèces se mêlent à une population particulière.

En plus de près de 80 000 heures de calcul de haute performance, le chercheur a répété l’expérience une soixantaine de fois, ajoutant des obstacles et examinant l’évolution de divers groupes d’organismes de 2 000 à 3 000 générations plus tard. Les résultats démontrent que l’ajout d’obstacles augmente en fait la spéciation, avec l’apparition d’environ 1 million de nouvelles espèces et la naissance de plus de 20 milliards d’êtres depuis le début du programme.

 « Les conséquences sont évidentes. Nous observons une plus grande spéciation en ajoutant des obstacles, et cela même si ces derniers n’isolent pas complètement les sous-populations les unes des autres », affirme M. Gras, né en France et résidant à Windsor depuis plusieurs années après son passage à l’Institut suisse de bioinformatique à Genève, en Suisse.

Selon M. Gras, il est possible d’expliquer en partie l’augmentation de la spéciation par la réduction du transfert du matériel génétique entre les populations, ou la « transmission des gènes », créée par les obstacles. Moins il y a transmission de gènes entre les espèces, plus la spéciation se produit.

« L’augmentation de la transmission des gènes entraîne un plus grand mélange entre les populations, tandis que la réduction engendre une différence plus importante entre les espèces, » explique le chercheur.

M. Gras, dont les travaux sont généralement publiés dans des revues d’informatique, aimerait que les résultats de ses recherches soient diffusés dans une revue de biologie afin de faire connaître ses travaux a un groupe varié de scientifiques qui pourraient être intéressés à mener des expériences dans son monde virtuel à partir d’organismes programmés précisément pour reproduire les caractéristiques des sujets étudiés.

Le chercheur a d’ores et déjà fait équipe avec Melania Cristescu, professeure à l’Université McGill qui étudie l’écologie et l’évolution des espèces aquatiques envahissantes et avec laquelle il a rédigé son dernier article. Il a aussi collaboré avec des professeurs de la University of Windsor dont Trevor Pitcher qui s’intéresse à l’écologie évolutive et à la biologie de conservation, Jan Ciborowski, spécialiste de l’écologie aquatique, de l’écologie comportementale et de l’écotoxicologie, et Stéphanie Doucet qui se penche sur l’écologie de diverses espèces d’oiseaux.

« On a reconnu notre capacité à jeter un réel éclairage sur le travail des biologistes. Et il y a aujourd’hui pratiquement autant d’étudiants en biologie dans mon groupe que d’étudiants en informatique », indique le chercheur.