L’apparition de la vie sur Terre : une étape décisive franchie

Croire béatement en une intervention divine expliquant l’origine de la vie sur la Terre est une illusion et une attitude totalement anti-scientifique. Il y a des millions de milliards d’étoiles dans « notre » galaxie et il est tout aussi illusoire de considérer que la vie sur la Terre est un fait unique dans l’Univers. Tout l’univers est constitué des mêmes éléments chimiques que ceux retrouvés sur la Terre et il n’y a aucune raison pour que nous vivions sur une planète plus favorisée qu’une autre pour que les conditions favorisant l’apparition de la vie y aient été plus propices. Il y a eu la théorie de la génération spontanée démontée admirablement par Pasteur sur laquelle des générations de penseurs et de théologiens se sont raccrochés pour conforter leurs thèses relatives à une origine divine de la vie. Le vaste domaine de la chimie prébiotique va peut-être dans quelques années mettre aussi à mal cette idée insupportable pour un scientifique d’une origine divine de la vie.

La chimie prébiotique, c’est-à-dire pour simplifier l’étude de l’hypothèse de l’apparition de la vie dans les conditions qui prévalaient sur la Terre il y a 3 à 4 milliards d’années, reste toujours un domaine qui préoccupe les scientifiques. En effet arriver à expliquer par quel processus la vie est apparue sur la Terre mérite l’attention des chimistes, des biochimistes et des biophysiciens mais aussi des géologues et de leurs collègues géophysiciens. Pour imaginer une approche expérimentale à ce problème qui apporterait bien des réponses aux questions existentielles que l’on peut se poser il faut d’abord considérer quelle était la composition de l’atmosphère terrestre en ces temps reculés avant l’apparition de la vie. L’une des premières approches choisies fut la fameuse expérience de Stanley Miller (illustration, Wikipedia) réalisée en 1952. Elle consista à soumettre un mélange d’eau, de méthane, d’ammoniac et d’hydrogène à des décharges électriques et d’observer ce qui se passait au bout d’un certain nombre de jours, de semaines ou de mois. Les moyens d’investigation analytique étaient à l’époque rudimentaires et les petits tubes scellés laissés par Miller furent analysés à nouveau par un de ses étudiants après sa mort en 2007. Il apparut que la reconstitution de cette « soupe primordiale » propice à l’apparition de la vie comme l’avait imaginée Charles Darwin sous forme d’un marais chaud avait été un franc succès.

Aujourd’hui encore, en particulier à l’institut de recherche Scripps de La Jolla près de San Diego, tenter d’expliquer l’apparition de la vie reste la préoccupation majeure d’une équipe de chimistes qui ont en quelque sorte repris les expériences de Miller en les étendant à d’autres conditions comme par exemple la présence de sels minéraux, d’acide cyanhydrique et quelques autres éléments pouvant entrer dans la composition de l’atmosphère primitive de la Terre, composés qui sont présents dans l’univers. Il restait cependant un très gros problème à résoudre. Compte tenu du fait que tous les êtres vivants, depuis les bactéries jusqu’aux vertébrés en passant par le phytoplancton, nécessitent la présence de phosphore sous forme de phosphate, comment un tel éléments chimique a-t-il bien pu apparaître dans des composés relativement simples qui ont pu éventuellement évoluer vers des structures complexes résultant de processus d’auto-assemblage ? Dans de nombreuses voies de synthèse biologique le phosphate est d’une importance incontournable et il en est de même pour l’énergie des cellules vivantes avec notamment l’ATP (adénosine triphosphate) et la phosphocréatine dans les cellules musculaires. Ce dernier composé d’une extrême importance biologique contient d’ailleurs une liaison phosphore-azote. Ajouter du phosphate et une pincée de métaux comme du zinc ou encore du fer dans la reconstitution de la « soupe primordiale » ne permet pas de voir apparaître au cours du temps, parfois des semaines dans une épaisse solution dans l’eau de ces ingrédients, un quelconque métabolite phosphaté ou, comme disent les spécialistes, phosphorylé.

C’est après un long cheminement que l’équipe du Docteur Ramanarayanan Krishnamurty de l’Institut Scripps a enfin découvert le chainon manquant qui permet d’obtenir toutes sortes de molécules biologiques d’importance contenant dans leur structure un groupement phosphate. Il s’agit d’un composé pouvant apparaître lorsque du cyclotriphosphate, appelé aussi métatriphosphate, se trouve en présence d’ammoniaque dans un milieu aqueux et ce n’est pas fortuit car dans certains environnements géologiques particuliers comme les sources chaudes d’origine volcanique la présence d’un tel processus chimique a été démontrée. Ce « chainon manquant » est le diamidophosphate (DAP, illustration Scripps).

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Sachant maintenant avec certitude que l’expérience de Miller reprise et améliorée par la suite dans plusieurs laboratoires de recherche prébiotique permet l’apparition de la plupart des molécules d’importance biologique comme des sucres, des acides gras, pratiquement tous les amino-acides ainsi que les bases puriques et pyrimidiques qu’on retrouve dans l’ADN et l’ARN, du DAP a été mis en présence de tous ces métabolites. Avec une surprise indicible l’équipe de Ram Krishnamurty a constaté par analyse fine l’apparition de petits peptides, de brins d’acides nucléiques ou encore de phospholipides. Ces derniers, constituants fondamentaux des membranes cellulaires, forment spontanément des vésicules au cours de cette « incubation » parfois longue des ingrédients de la « soupe primordiale » comme s’il s’agissait de proto-cellules vivantes :

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Avec cette ébauche de vivant le temps a ensuite fait son travail et il y a peut-être trois milliards d’années, alors que la Terre était soumise à une intense activité volcanique et encore bombardée par des météorites, évènements favorisants l’apparition de ces constituants de la vie et du DAP qui pouvait se former dans un tel environnement et en présence d’eau, les premières cellules vivantes primitives se sont organisées et ont lentement évolué pour devenir celles que nous connaissons aujourd’hui. Comme tous les constituants du « vivant » se retrouvent dans l’Univers et par conséquent également sur la Terre et n’importe quelle autre planète gravitant autour de n’importe quelle étoile, la vie est très probablement apparue avec ces mêmes « briques » biologiques qui apparaissent lorsque ces conditions « primordiales » sont réunies. Contrairement à ce qu’affirmait Aristote le facteur temps a joué un rôle incontournable et ce temps a réconcilié en quelque sorte les deux facteurs nécessaires à l’apparition de la vie si chers à Jacques Monod, le hasard et la nécessité. Pour paraphraser Monod, le hasard a fait apparaître les éléments constitutifs du vivant qui se sont organisés avec le temps d’une façon telle qu’elle semble une nécessité pour l’apparition de la vie.

Sources : Scripps News Release du 6 novembre 2017 et aussi : Nature (doi : 10.1038/nchem.2878), article aimablement communiqué par le Docteur Ram Krishnamurty qui est très vivement remercié ici. Illustrations : Scripps Institute et Wikipedia

Créationisme ou darwinisme : ce n’est pas encore gagné !

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La théorie de l’évolution par sélection naturelle formulée par Darwin et publiée en 1859 n’a jamais été contredite par les observations et la révolution récente de la biologie moléculaire a encore apporté de nouveaux arguments en sa faveur non plus seulement au niveau morphologique mais également au niveau moléculaire. Les gènes évoluent naturellement avec le temps, un phénomène appelé dérive génétique, et la sélection naturelle élimine ou au contraire privilégie les « bons gènes ». L’homme évolue toujours et selon Teilhard de Chardin il atteindra un point oméga proche de la perfection divine. On peut être adepte de cette hypothèse si on est croyant car pour la majorité des croyants l’homme a été créé par Dieu et à son image et depuis la « Création » il n’a pas évolué. Il s’agit du créationisme par opposition à la sélection naturelle darwinienne.

En Europe et dans la plupart des pays du monde le créationisme a été relégué au rang de la fausse science sauf aux USA, un pays pourtant champion des technologies et des recherches fondamentales en tous genres. Près de 40 % des Américains adultes croient fermement au créationisme et ils sont encore plus nombreux dans les milieux religieux radicaux. Dans certains Etats, le créationisme est enseigné à l’école et cela paraît incroyable mais c’est pourtant la réalité.

Un récent sondage (Pew Research Center) a montré que chez les jeunes adultes le créationisme n’avait plus que 27 % d’adeptes (39 % en 2009) et le terme d’évolution séculaire est maintenant utilisé par opposition à l’évolution divine. Le résultat de ces sondages a été interprété comme une désaffection croissante des Américains pour la religion en particulier chez les jeunes mais il ne faut pas en conclure hâtivement que la religion a moins d’importance aux USA si on se remémore le combat des lobbys religieux contre le mariage gay ou l’avortement qui a déchiré l’Amérique récemment, un peu, d’ailleurs, comme en France …

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L’évolution naturelle darwinienne est une science et non une opinion dogmatique religieuse ou politique. Il faudra peut-être encore une génération ou deux pour que disparaisse définitivement ce relent d’obscurantisme. Teilhard de Chardin frémirait d’horreur en lisant ces mots !

Inspiré d’un article paru dans Slate.com

Illustrations : Darwin et un chimpanzé, un rapprochement iconographique subtil.

Comment s’est-on adapté à des climats différents : grâce à des mutations mitochondriales.

Puisque le climat va changer il est intéressant de comprendre comment nos ancêtres lointains se sont adapté à de nouvelles conditions climatiques au cours de leurs migrations et des alternances de périodes glaciaires.

Chaque cellule de notre corps a besoin d’énergie et pour produire de l’énergie à partir du glucose par exemple il faut un système hautement spécialisé qui ne peut pas se trouver n’importe où dans la cellule. C’est la raison pour laquelle chaque cellule contient plusieurs petites centrales de production d’énergie, les mitochondries. De nombreuses évidences sont en faveur d’une origine bactérienne et l’une d’elle est la présence d’ADN, 6 à 8 copies en moyenne dans chaque mitochondrie, qui code pour 13 protéines essentielles dans le processus de fourniture d’énergie. Plus surprenant, le code génétique utilisé par la mitochondrie est légèrement différent de celui du noyau cellulaire. La mitochondrie produit de l’énergie sous forme d’ATP (adénosine triphosphate) et ce qu’on appelle des équivalents réducteurs nécessaires pour une multitude d’étapes métaboliques sous forme de NAD+ ou NADP+ (nicotinamide adénine dinucléotide et sa forme phosphatée). Ces deux processus se situent le long de ce qui est appelé la chaine respiratoire où se trouve d’un côté l’oxygène et de l’autre le carburant, en général du glucose. Le long de cette chaine circulent des électrons dans un sens et des ions hydrogène, protons ou H+. C’est très schématique mais ce qui a intrigué les biologistes depuis de nombreuses années est que cette « chaine respiratoire », ce système quasiment électrique, nécessite des dizaines de protéines qui sont codées par l’ADN du noyau. Il fallait donc que la mitochondrie ait inventé un moyen d’importer ces protéines synthétisées non pas dans la mitochondrie mais dans la cellule.

Ce système de transport est extrêmement complexe et il a été très récemment élucidé (voir le premier lien) et il ressemble à ça :

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Plusieurs centaines d’activités enzymatiques sont nécessaires à la mitochondrie pour « brûler » du glucose et fournir de l’énergie mais la mitochondrie participe à de nombreux aspects du métabolisme cellulaire et pratiquement tout est « importé » de la cellule à travers ces sortes de pores situés dans les membranes mitochondriales. Les 13 protéines codées par l’ADN mitochondrial sont produites à l’intérieur de la mitochondrie et il faut donc que la grosse machine de synthèse des protéines soit également importée de la cellule.

Mais revenons à l’ADN mitochondrial (voir le lien) schématisé ainsi :

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Il n’est transmis que par la mère via les ovocytes qui contiennent plusieurs centaines de milliers de copies de cet ADN de mitochondries. Le spermatozoïde perd en effet au cours de la fertilisation de l’oeuf son unique et géante mitochondrie qui n’a servi qu’à produire de l’énergie pour actionner la flagelle pour sa migration. Cette transmission uniquement par la mère n’est pas unique à l’homme car elle se retrouve aussi chez les plantes et également les moisissures. Comme tout ADN celui de la mitochondrie est soumis à des mutations. Fort heureusement une mutation létale sur un des gènes codant pour les protéines essentielles à la production d’énergie pour la cellule ne peut pas être transmise à la descendance car l’ovocyte n’est pas viable. Dans la figure ci-dessus il est figuré une zone en bleu dite de contrôle ou « hypervariable » et c’est l’étude de l’évolution des mutations dans cette zone ainsi que celle des SNPs (Single Nucleotide polymorphisme) au sein des gènes codants qui permet d’établir une généalogie génétique remontant dans le temps et uniquement pour la mère. Si on veut faire le même type de travail pour le père il faut étudier les variations du chromosome Y ce qui est beaucoup plus complexe.

Là où les choses deviennent intéressantes après cette longue entrée en matière c’est le résultat qu’on a obtenu concernant l’adaptabilité de l’homme à des environnement différents. Les événements de SNPs font apparaître ce qu’on appelle des haplotypes sur le seul critère du polymorphisme induit par un SNP et les variants de chaque haplotype sont regroupés en haplogroupes. Comme l’ovocyte est capable d’effectuer une sélection, il est apparu au cours de l’évolution humaine des haplotypes mieux adaptés aux conditions environnementales en particulier climatiques. Il suffit en effet d’une infime variation dans la structure d’une ou plusieurs de ces 13 protéines codées par l’ADN mitochondrial pour que la mitochondrie produise de l’énergie sans trop produire de chaleur – un autre rôle majeur de la mitochondrie qu’il faut bien garder en mémoire – ou au contraire produire moins d’énergie au dépens d’une production de chaleur plus importante.

L’illustration ci-dessous montre la répartition des haplotypes mitochondriaux dans le monde (adaptée de Mitomap) :

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Par exemple les haplotypes Z, H ou encore J conduisent à une production de chaleur importante alors que le type M, pour ne prendre que cet exemple conduit à un haplotype pour lequel les mitochondries produisent peu de chaleur. On dit dans ce cas que le couplage entre production d’énergie et de chaleur est plus étroit, en d’autres termes le rendement est meilleur. On remarque aussi dans cette illustration qu’on a pu dater l’apparition des haplogroupes au cours des migration humaines depuis l’Afrique. Cette datation basée sur la dérive génétique au cours du temps est moins précise si on remonte plus loin dans le temps que celle obtenue avec l’ADN du noyau (voir le lien de ce blog) mais elle est très bien représentative de la chronologie des migrations depuis la dernière vague « out of Africa ».

On peut dire que l’adaptabilité de l’homme à son environnement provient de la sélection qui s’effectue dans l’ovaire avant même la fertilisation. Il s’agit d’un puissant moyen d’adaptation de l’homme. Il faut noter en conclusion que la transmission des SNPs mitochondriaux n’obéissent pas aux lois de Mandel en ce sens que seule la mère transmet ces caractères. Pour une nomenclature des haplogroupes voir le site mitomap. Je tiens à la disposition de mes lecteurs curieux les articles parus dans les journaux Cell et Science.

Note d’actualité : Quand Nadine Morano parle de race blanche, elle fait une grossière erreur : il n’y a pas de race blanche, il y a un super haplogroupe (pas nécessairement d’origine mitochondriale) qui fait que les gènes contrôlant la pigmentation de la peau sont peu exprimés ou peu fonctionnels. La notion de race humaine est un abus de langage idéologique et politique qui n’a rien à voir avec la science.

Liens :

Molecular architecture of the active mitochondrial protein gate

Takuya Shiota et al. Science 349, 1544 (2015); DOI: 10.1126/science.aac6428

www.mitomap.org/MITOMAP

http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.08.067

https://jacqueshenry.wordpress.com/2015/09/18/levolution-humaine-un-long-parcours-parfois-seme-dembuches/

On régresse, on régresse …

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En 1979 Edward O. Wilson (voir note) publia un ouvrage intitulé « On Human Nature » où il expliquait que les comportements humains, l’amour, la guerre, le sexe, étaient le résultat de l’évolution et de la génétique. Il résumait son livre par cette phrase devenue célèbre : « L’épopée de l’évolution est probablement le mythe le plus immense que nous n’aurons jamais connu ». L’idée que le cerveau humain à la naissance n’était pas un espace vide mais était déjà programmé à un certain degré pour des prédispositions comportementales d’origine génétique comblait de satisfaction les spécialistes de la sociobiologie (dont Wilson fut l’un des promoteurs). Il y eut aussi rapidement des détracteurs des idées de Wilson qui considéraient que ses théories n’étaient pas validées et qu’elles pourraient ouvrir la voie vers l’eugénisme et toutes sortes de discriminations.

Ces controverses se sont quelque peu apaisées avec les années et les gigantesques progrès réalisés tant dans le domaine de la génétique que du fonctionnement du cerveau. Nous savons maintenant que l’inné et l’acquis contribuent aux situations normales comme anormales de nos comportements. Cependant cette controverse resurgit quand des auteurs comme Richard Dawkins (voir le lien en référence) contestent la validité des thèses de Wilson. Si Richard Dawkins, professeur de biologie à l’Université d’Oxford ne rejette pas en bloc les thèses de Wilson, il en réfute cependant certains principes, considérant qu’un gène n’est pas isolé dans une cellule mais fait partie intégrante de l’ADN constituant un chromosome. Il n’évolue donc pas indépendamment en supplantant d’autres gènes qualifiés par Wilson de défectueux. C’est sur ce point précis que Wilson articulait sa théorie de la sélection, théorie que n’aurait certainement par rejeté Darwin.

Bref, les choses se sont depuis la fin des années 70 passablement éclaircies mais ont été également compliquées par la découverte de l’épigénétique et du rôle des micro-ARNs, une avancée récente dans la compréhension de l’expression des gènes. La situation n’est pas aussi claire que celle que pressentait Wilson, tout entomologiste qu’il était, et il faut reconnaître aujourd’hui que l’acquis joue un rôle dans l’évolution et ce rôle ne peut plus être contesté. Mais ce qui différencie aussi Wilson de Dawkins et c’est loin d’être anecdotique est que l’un est croyant et l’autre athée. De là à alimenter le débat sur l’évolution, il n’en fallut pas plus pour que les thèses de Wilson soient récupérées par certains groupes de scientifiques orientés religieusement. Selon Wilson l’évolution fait partie d’un grand dessein. Selon Jacques Monod, également croyant (protestant) comme Wilson, elle relève d’une combinaison du hasard et de la nécessité – selon ses termes – et selon Dawkins elle n’est que le résultat de la lente dérive génétique résultant de l’accumulation de mutations dont seules celles qui sont favorables restent alors que les « mauvaises » mutations font littéralement disparaître les gènes et donc leurs produits d’expression dans les régions devenues non codantes de l’ADN qui représentent la grande majorité de ce dernier.

Les spécialistes de l’évolution pourraient suggérer que certains gènes sont devenus dominants (ou non) avec le temps selon qu’ils ont promu des comportements bénéfiques en relation avec les facteurs environnementaux, sociaux et culturels. Il s’agit schématiquement d’une thèse proposée par les psychologues de l’évolution. Plus simplement certaines combinaisons gène-comportement ont fourni à des individus ou des groupes d’individus des avantages pour mieux survivre par rapport à d’autres individus ou groupes d’individus et ceux-ci ont été « sélectionnés » au cours de milliers d’années pour mieux transmettre ces gènes. Dans le même ordre d’idée le fait de mieux se protéger des maladies et des blessures – ce que réussirent nos lointains ancêtres avec la pratique des plantes médicinales ou la réduction de fractures osseuses – participa à ce processus de sélection. Il est ici intéressant de noter que des réductions de fractures osseuses et des trépanations ont été clairement montrées lors de fouilles et ces gestes médicaux ont été effectués il y a plusieurs dizaines de milliers d’années.

Le genre Homo est apparu sur la Terre il y a environ 3 millions d’années et notre espèce Homo sapiens il y a 300000 ans. Si on définit le temps d’une génération à 18 ans, depuis l’apparition du genre Homo il y a eu 167000 générations durant lesquelles les comportements favorables à une meilleure survie sont apparus et ont été sélectionnés, c’est-à-dire les comportements issus de prédispositions génétiques favorisant la survie en protégeant les descendants, une attitude que nous possédons tous mais qui est différente de l’instinct de survie. L’instinct de survie nous conduit à éviter de nous blesser mais le comportement consistant à soigner une blessure de nos congénères relève de l’évolution. Les récents progrès de la biologie et de la médecine ont émoussé cet impératif génétique de base, ce besoin fondamental de nous occuper de nous-même et aussi et surtout de nos congénères.

Ce n’est pourtant que très récemment, en termes d’évolution, que nous disposons d’outils efficaces pour nous soigner, les vaccins, les antibiotiques sont des inventions très récentes : il y a à peine un peu plus d’un demi-siècle que ces technologies sont apparues alors que le genre Homo existe depuis 30000 siècles ! Et durant les 29999 siècles et demi précédents on s’est débrouillé par nous-même et de manière terriblement inefficace mais justement pas suffisamment inefficace pour pouvoir jouer favorablement un rôle dans notre évolution. Aujourd’hui nous vivons dans une société très spécialisée. Il y a des médecins pour s’occuper de notre santé et des plombiers pour déboucher nos toilettes. Mais les diabétiques ont appris à se traiter eux-mêmes et beaucoup de personnes savent déboucher leurs toilettes elles-mêmes. Ça fait aussi partie de l’évolution même si l’exemple est caricatural. Aujourd’hui on ne risque plus sa vie quand on est malade ou qu’on s’est cassé une jambe mais il y a à peine 500 ans un paysan qui se brisait une jambe et ne pouvait plus s’occuper de sa ferme mettait en danger toute sa famille. Aujourd’hui on prend sa voiture et on va au supermarché ou on se rend au service des urgences de l’hôpital le plus proche mais on a perdu l’usage des gestes simples qui permettaient de soulager un enfant malade, une attitude que j’ai connu quand j’étais enfant : mes parents faisaient rarement appel au médecin et connaissaient quelques « trucs de grand-mère » pour nous soigner. Les progrès récents de la médecine et les techniques utilisées en biologie constituent peut-être une contre-évolution défavorable.

En tant qu’entomologiste Wilson a du être comblé d’apprendre que la chrysomèle des racines de maïs (Diabrotica virgifera virgifera) est devenue résistante à la toxine Bt exprimée par le maïs transgénique de Monsanto et de Dow Chemical. En effet si 99,99 % des insectes suceurs sont tués par la toxine, le peu qui survit se croise avec la même espèce ravageant des cultures non génétiquement modifiées. Dès lors la descendance est plus rigoureusement résistante à la toxine Bt (voir le lien PNAS) :

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Et aussi dans le registre extraordinaire de l’évolution qui a aussi certainement comblé de satisfaction tant Wilson que Dawkins on a découvert un cas de transfert de gènes horizontal entre une algue et une limace de mer ( respectivement Vaucheria litorea et Elysia chlorotica). La limace se nourrit d’algues et ingère donc des chloroplastes mais elle a aussi incorporé dans son génome des informations génétiques de la même algue afin de réaliser la prouesse de devenir photosynthétique tout comme l’algue, en quelque sorte de ne se nourrir que du rayonnement solaire et du CO2 dissous dans l’eau de mer quand elle ne trouve plus rien à se mettre sous la dent. Je n’ai pu résister à montrer à mes lecteurs cette curieuse créature qui n’est pas une feuille de choux de Bruxelles mais bien une limace de mer (voir le lien) :

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En guise de conclusion, je voudrais utiliser une image qui décrit cette évolution. Dans les trains il y a des poignées qui permettent de stopper la rame en cas d’urgence et il est bien indiqué que « tout abus sera puni ». La médecine et la biologie modernes ont arrêté le train de l’évolution et les abus sont déjà punis avec l’apparition par exemple des bactéries multirésistantes aux antibiotiques, des allergies et autres maladies induites par des excès d’hygiène ou de produits artificiels, des cancers liés au mode de vie ou à la nourriture et des dérives encore difficiles à imaginer qu’ouvre la génétique. En quelque sorte l’humanité a pour la première fois depuis des centaines de milliers d’années commencé à régresser …

Note : Edward O. Wilson (né en 1929) fut entomologiste à l’Université d’Harvard. Sa spécialité était la myrmécologie qui est l’étude des fourmis et n’a rien à voir avec l’écologie politique actuelle. Il fut l’un des créateurs de la sociobiologie et du concept de biodiversité. Fervent croyant, il était convaincu que l’évolution faisait partie d’un grand dessein dont nous sommes les acteurs involontaires.

Source et autres liens :

http://rétrospectivement/science-ans-technology/edward-wilson-social-conquest-earth-evolutionary-errors-origin-species

http://www.pnas.org/content/111/14/5141.full.pdf+html

http://www.biolbull.org/content/227/3/300.abstract

Illustration Edward O. Wilson (Wikipedia)