Lorsque le jeune naturaliste Alfred R. Wallace quitta l'Angleterre pour explorer le Nouveau Monde en 1848, l'une de ses principales observations dans la région amazonienne fut que les grandes rivières constituaient une barrière insurpassable pour certaines espèces d'animaux, notamment les primates et les oiseaux. Encore plus intéressant, il a remarqué que des espèces étroitement apparentées occupaient souvent des forêts situées de part et d'autre d'une rivière, mais elles ne se trouvaient jamais ensemble.
En effet, il existe des centaines d’exemples de couples transfrontaliers parmi les oiseaux d’Amazonie, un phénomène que l’on n’observe nulle part ailleurs sur Terre. Près d'un tiers des quelque 240 espèces d'oiseaux qui habitent normalement les forêts d'un côté du Rio Negro inférieur au Brésil sont remplacées par une espèce étroitement apparentée de l'autre côté. Par exemple, sur la rive gauche, vous verrez des barbillons à taches noires ( Capito niger ) à gorge rouge. Sur la rive droite, vous ne verrez que des Barbets guildés ( Capito auratus ) étroitement liés à la gorge orange.
Les barbets à taches noires et à guildes vivent séparés, séparés par le bas Rio Negro et le Rio Branco en Amazonie brésilienne. (Andreza Silva) Les fleuves amazoniens me fascinent depuis ma première visite dans la région en 1999 et ont été au centre de mes recherches en tant que biologiste tropical. J'ai été captivé par les modèles de remplacement décrits par Wallace et j'ai passé d'innombrables heures à étudier les cartes de répartition aviaire.
Malgré des années d'études, les biologistes de l'évolution demeurent incertains du rôle que les rivières ont joué dans le processus de spéciation en Amazonie. Les rivières génèrent-elles de nouvelles espèces? Ou simplement agir en tant que barrières secondaires, fournissant des limites naturelles aux espèces formées ailleurs? Est-ce que toutes ces paires de lignées divergent en même temps, séparées par une barrière commune? Ou chaque espèce a-t-elle suivi son propre chemin d'évolution?
L'étude s'est concentrée sur les espèces d'oiseaux dont la répartition est délimitée par deux barrières biogéographiques: le Rio Negro et le Rio Branco, situés dans le Bouclier de Guyane, au nord de l'Amazonie. (Naka et al) Telles étaient les questions qui ont guidé mes collègues et moi-même lorsque nous avons entrepris d'explorer le Rio Negro, qui reste l'une des régions les plus préservées de l'Amazonie. Comme les expéditions menées par les naturalistes précédents, les nôtres comprenaient de longs voyages en bateau pour atteindre des endroits éloignés. Mais nous étions armés d'ordinateurs, d'imagerie numérique, de GPS, d'enregistreurs audio numériques et d'azote liquide pour conserver nos échantillons à très basse température jusqu'à ce que nous puissions effectuer une analyse génétique en laboratoire. Notre plan consistait à utiliser des échantillons de tissus prélevés sur des oiseaux de part et d'autre de la rivière pour évaluer leur évolution.
Passant d'une espèce à deux
En examinant le degré de différenciation génétique entre les individus de différentes banques, les naturalistes modernes sont en mesure de retracer approximativement le temps écoulé depuis que ces populations ont commencé leur histoire évolutive indépendante. Les biologistes ne peuvent s'accorder sur le rôle que ces rivières ont joué dans l'histoire évolutive des espèces qu'ils divisent actuellement.
Une possibilité évidente est que l'aire de répartition de l'espèce ancestrale ait été disséquée par un fleuve nouvellement formé, isolant de gros morceaux de forêt. Les populations isolées changeraient lentement et se différencieraient les unes des autres. Avec suffisamment de temps, leurs différences deviendraient suffisamment grandes pour qu'ils ne se reconnaissent plus en tant que partenaires potentiels avec lesquels s'associer et élever leur progéniture - ils deviendraient des espèces différentes. Cette idée est connue sous le nom d’hypothèse de barrière fluviale. C'est l'explication la plus ancienne qui explique pourquoi il y a tant d'espèces en Amazonie.
Un modèle alternatif suggère que les rivières agissent comme des barrières secondaires. Selon cette idée, bien qu’il soit actuellement important de définir les limites géographiques des espèces, les rivières n’ont rien à voir avec la séparation initiale de cette population ancestrale.
Il est difficile de ne pas poser la question la plus évidente ici, cependant. Les oiseaux effectuent des migrations épiques sur de longues distances et peuvent se déplacer de pôle en pôle. Comment dans le monde un fleuve amazonien, même un grand, pourrait-il constituer une barrière? Les oiseaux ne peuvent-ils pas simplement traverser la rivière, se réunir avec leurs proches et éviter de devenir deux espèces différentes?
La réponse courte est, apparemment pas. Pour de nombreuses espèces forestières, les rivières semblent vraiment être des barrières insurmontables. Des expériences suggèrent que de nombreuses espèces d'oiseaux ne sont pas capables de survoler un paysage, même à une centaine de mètres, et encore moins de traverser plusieurs kilomètres d'un puissant fleuve amazonien.
Tester le rôle des rivières dans l'évolution aviaire
Notre première étape consistait à cartographier l'emplacement exact de ces remplacements de paires en amont. Tous les couples étudiés connaissaient des mouvements de population dans le bas Rio Negro, dont la largeur peut atteindre 10 km à certains endroits. En amont, cependant, la rivière est beaucoup plus étroite et les schémas de remplacement deviennent plus compliqués, impliquant des rivières mineures.
Lorsque les différences entre les populations sont relativement importantes - comme les motifs de plumage, les couleurs ou les paires de chants - sont souvent considérées comme des espèces différentes. Lorsque les différences sont subtiles - taille, nuance de plumes, tonalité - les ornithologues ont tendance à les considérer comme des sous-espèces différentes. Que ce soit par paires d'espèces ou par paires de sous-espèces, les biologistes les appellent des "paires de taxons".
La première étape consistait à cartographier les modèles de substitution aviaire. Bien que tous les couples soient actuellement délimités par le bas Rio Negro, il existe différents schémas de remplacement en amont, y compris le Rio Branco. (Naka et al) Nous avons étudié en détail 74 paires de taxons dont les aires de répartition étaient divisées par diverses combinaisons du Rio Negro et de son plus grand affluent, le Rio Branco. Ces deux rivières constituent deux barrières biogéographiques pour des dizaines d’espèces aviaires. Après plus d'une décennie de travail sur le terrain et la contribution d'importants musées et collections brésiliens et américains, notre équipe a obtenu des données de distribution et génétiques pour presque toutes les espèces d'oiseaux et les sous-espèces d'oiseaux qui diffèrent des deux côtés de la rivière.
Nous avons estimé que si une rivière disséquait le paysage et séparait de nombreuses populations aviaires en même temps, les couples devraient présenter des périodes de divergence approximativement similaires. Si les rivières ont servi de barrières secondaires, les couples présenteront probablement toute une série d'âges. Dans ce cas, les couples pourraient être plus âgés que les rivières qui délimitent actuellement leurs distributions, car selon ce modèle, la division initiale d'une espèce en deux ne dépend pas de l'émergence de la rivière.
Les chercheurs ont utilisé des données moléculaires pour déterminer depuis combien de temps chacun des 74 couples d'oiseaux avait divergé. Les barres horizontales couvrent les intervalles crédibles, en tenant compte des incertitudes temporelles. La plupart des couples se sont séparés bien avant que les deux rivières n'existent sous leur forme actuelle. (Naka et al) Nous avons utilisé des données moléculaires calibrées en fonction du temps pour déterminer approximativement à quel moment chacune de nos 74 paires d'oiseaux apparentés s'est séparée, de manière évolutive. Certains gènes mutent à des vitesses prévisibles et stables, ce qui permet aux scientifiques d'estimer le temps écoulé depuis la divergence d'une paire d'organismes donnée. Plus il y a de changements dans leurs génomes, plus cela fait longtemps qu'ils n'ont pas partagé un ancêtre commun. C'est comme regarder ce que les chercheurs appellent une «horloge moléculaire».
Le Toucanet guyanais (Selenidera piperivora) est remplacé par le Toucanet touffu de fauve (S. nattereri) dans cette région. C’est la paire la plus ancienne de l’analyse, séparée il ya environ 8 millions d’années. (Luciano Nicolas Naka) Lorsque nous avons examiné les horloges moléculaires de nos échantillons d'oiseaux, nous avons constaté que les événements de divergence n'étaient pas regroupés au cours d'une période donnée. Au lieu de cela, ils allaient de 0, 2 à 8 millions d'années. Il est donc peu probable que tous les couples aviaires actuellement divisés par une barrière commune, tels que le Nègre ou le Branco, aient été générés par la genèse de ces rivières.
De plus, les données géomorphologiques suggèrent que ces rivières ont établi leurs positions actuelles relativement récemment. Les dates approximatives pour le Rio Negro sont environ un million d’années, alors que le Rio Branco est apparemment beaucoup plus récent, environ 20 000 ans. Par conséquent, les deux rivières semblent être beaucoup plus jeunes que la plupart des couples d’oiseaux qu’ils divisent actuellement, ce qui conforte le modèle de barrière de contact secondaire: les rivières maintiennent une frontière, mais le moment choisi laisse supposer qu’elles ne pourraient pas être responsables de la séparation initiale de la plupart des couples aviaires. nous avons étudié.
D'autre part, le Rio Negro semble avoir une histoire de millions d'années ici. Nos modèles ne peuvent pas rejeter un événement de diversification commun se produisant vers cet âge pour 12 paires de taxons aviaires, dont l'ADN indiquait qu'ils avaient divergé au cours du dernier million d'années. Ainsi, bien que l'origine de la plupart des couples étudiés ne soit probablement pas liée à la genèse des rivières, il est possible que le Rio Negro, en particulier, ait représenté une barrière primaire pour certaines espèces.
Notre nouvelle étude, publiée dans Science Advances, offre des preuves convaincantes du fait que les rivières amazoniennes peuvent jouer un double rôle évolutif. Ils peuvent servir de barrières primaires pour certaines lignées, comme le propose l'hypothèse de la barrière fluviale. Mais plus souvent, ils agissent comme des barrières secondaires pour la plupart des lignées aviaires. Ces résultats ne proviennent que d’une région amazonienne, certes importante, mais des études similaires réalisées dans d’autres bassins placeront nos résultats dans un contexte plus large.
Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation.
Luciano Nicolas Naka, professeur de zoologie à l'Université fédérale de Pernambuco (Brésil) et chercheur invité à l'Université de Harvard
