Timeline: The evolution of life

• 11:06 14 July 2009 by Michael Marshall
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There are all sorts of ways to reconstruct the history of life on Earth. Pinning down when specific events occurred is often tricky, though. For this, biologists depend mainly on dating the rocks in which fossils are found, and by looking at the "molecular clocks" in the DNA of living organisms.

There are problems with each of these methods. The fossil record is like a movie with most of the frames cut out. Because it is so incomplete, it can be difficult to establish exactly when particular evolutionary changes happened.

Modern genetics allows scientists to measure how different species are from each other at a molecular level, and thus to estimate how much time has passed since a single lineage split into different species. Confounding factors rack up for species that are very distantly related, making the earlier dates more uncertain.

These difficulties mean that the dates in the timeline should be taken as approximate. As a general rule, they become more uncertain the further back along the geological timescale we look. Dates that are very uncertain are marked with a question mark.

Galapagos tortoises are the product of over 3 billion years of evolution (Image: Andy Rouse / Getty)

http://www.newscientist.com/article/dn21852-birds-got-smart-by-becoming-big-babes.html

Birds got smart by becoming big babes

• 10:54 28 May 2012 by Michael Marshall
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Out of the skulls of babes. Modern birds have skulls that look remarkably like those of juvenile dinosaurs, offering an unusual explanation for how birds came to have relatively large brains.

As dinosaurs evolved into birds, something arrested their development. The juvenile heads they kept may be responsible for their relatively high intelligence, and their incredible evolutionary success.

Birds are living dinosaurs, having evolved from feathered dinosaurs similar to the Velociraptor. They were the only dinosaurs to survive the mass extinction that took place 65 million years ago.

Bhart-Anjan Bhullar of Harvard University and colleagues took photos and CT scans of skulls belonging to juvenile and adult dinosaurs, extinct and modern birds, and more distant relatives like crocodiles.

They found that compared to their ancestors, birds' faces became flattened, and their brain cases relatively larger. That's exactly what young dinosaurs' skulls looked like.

"This could be a landmark study," says Gregory Erickson of the Florida State University in Tallahassee. "When you look at a bird you're looking at a young dinosaur."

Like bird like human

This switch to a more juvenile skull shape was also an important force in human evolution. Adult human skulls look much like those of baby chimpanzees, with flattened faces and over-sized brain cases.

In fact, major evolutionary changes often rely on changes to development, because it's relatively easy to change the pace of an animal's development, producing adults that may look very different to their ancestors.

For birds, switching to a more baby-like skull shape eventually unleashed their potential. In particular, having larger skulls relative to their body size allowed birds to evolve relatively large and more elaborate brains.

Bhullar's group is trying to reverse bird evolution, tweaking the genes of chickens to make them revert to their dinosaur ancestors. Last year, his supervisor Arkhat Abzhanov persuaded a chicken embryo to grow a snout rather than a beak. Bhullar says he hasn't yet found the genes underpinning the changes in birds' skulls, but if he does, he could give a chicken the head of a dinosaur.

Journal reference: Nature, DOI: 10.1038/nature11146

Predatory Dinosaurs Breathed Like Birds, Study Suggests

By Sarah Graham  | July 14, 2005

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A new analysis suggests that theropod dinosaurs such as T. rex shared another characteristic with their modern day bird descendants: their mode of breathing. Although some scientists have posited that the extinct creatures would have had lungs similar to those of today's crocodiles and other reptiles, the results instead indicate that theropods used a more complex pulmonary system resembling that of living birds.

Birds have a number of extra air sacs in their skeletons that supply their lungs with air and enhance their ability to exchange gases. Patrick M. O'Connor of the Ohio University College of Osteopathic Medicine and Leon P. A. M. Claessens of Harvard University analyzed a 67-million-year-old fossil of Majungatholus atopus, a primitive theropod that grew to several meters in length. Comparing the remains to data collected on more than 200 living birds, they found that the creature possessed a surprisingly avian anatomy. The dinosaur's vertebrae, in particular, exhibit adaptations like those seen in extant sarus cranes. "The pulmonary system of meat-eating dinosaurs such as T. rex in fact shares many structural similarities with that of modern birds, which, from an engineering point of view, may possess the most efficient respiratory system of any living vertebrate inhabiting the land or the sky," Claessens remarks.

The results, published in today's issue of the journal Nature, indicate that the system that birds use for breathing developed before birds themselves evolved. This respiratory adaptation, the authors note, is consistent with the hypothesis that predatory dinosaurs had elevated metabolic rates.

http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=predatory-dinosaurs-breat

http://www2.cnrs.fr/presse/communique/2621.htm

Le mimétisme est un phénomène très répandu dans la nature : nombreuses sont les espèces qui s'imitent les unes les autres dans leur apparence afin de mieux se défendre des prédateurs. Un consortium international impliquant des chercheurs du CNRS/MNHN (laboratoire Origine, Structure et Evolution de la Biodiversité) et de l'INRA (Physiologie de l'insecte : communication et signalisation) vient pour la première fois de séquencer et d'assembler le génome complet du papillon tropical Heliconius melpomene. Grâce à ce génome de référence, les chercheurs montrent que la ressemblance mimétique est rendue possible grâce à l'échange des gènes de la couleur entre espèces différentes. Jusqu'à présent, les hybridations entre espèces voisines étaient vues comme néfastes, car produisant des descendants généralement moins compétitifs et peu performants. En réalité, elles permettent aussi le transfert de gènes offrant un avantage sélectif, ici la marque colorée de la toxicité de ces papillons pour leurs prédateurs. Ces résultats sont publiés le 16 mai 2012 sur le site de la revue Nature.

Heliconius est un genre de papillon comptant une cinquantaine d'espèces présentes dans les forêts d'Amérique Centrale et du Sud. Pour les chercheurs, il constitue un modèle de choix pour étudier la sélection naturelle et les changements génétiques qui mènent à la formation de nouvelles espèces. Afin de pousser plus loin ces travaux et d'avoir une vue plus large des mécanismes génétiques en œuvre, un consortium international d'équipes de recherche a réalisé le séquençage du génome de l'un de ces lépidoptères, Heliconius melpomene, originaire du Panama. Désormais, l'ensemble du génome de ce papillon, incluant plus de 12 600 gènes répartis sur 21 chromosomes, est accessible. Si, à ce jour, relativement peu de génomes d'insectes ont été séquencés, il est encore plus rare de disposer de celui d'une espèce non domestiquée telle que Heliconius melpomene.

Ce séquençage a permis d'obtenir des résultats étonnants sur le mimétisme. Il était connu des chercheurs que H. melpomene partage les motifs et les couleurs d'une espèce voisine, H. timareta. Ces deux espèces sont toxiques et les couleurs vives de leurs ailes leur permettent d'être facilement reconnues des prédateurs. En adoptant la même coloration, elles partagent le coût que représente « l'éducation » de ces derniers. En effet, c'est en mangeant quelques Heliconius que les prédateurs, des oiseaux pour la plupart, apprennent à associer les couleurs au mauvais goût et à la toxicité de ces insectes. De ce fait, la ressemblance des deux espèces constitue pour elles un important avantage sélectif.

Jusqu'à présent, on pensait que ce mimétisme était dû à une convergence génétique : chaque espèce devait développer ses propres innovations génétiques permettant de ressembler à sa voisine. Mais le séquençage du génome de H. melpomene vient de démontrer que la ressemblance visuelle entre cette espèce et H. timareta est due à des accouplements croisés entre ces deux papillons. En effet, les chercheurs ont découvert que, pour ces deux espèces, les régions du génome qui contrôlent la couleur des ailes ont une origine unique et récente. Ces gènes sont donc passés de l'une à l'autre par hybridation.

Les accouplements entre ces deux espèces sont très rares et seule la descendance mâle est fertile. Néanmoins, ils sont suffisants pour transmettre à l'espèce voisine les traits phénotypiques qui confèrent la ressemblance. Ces résultats mettent à mal le paradigme selon lequel l'hybridation entre espèces est forcément néfaste car elle produit des individus fragiles ou mal adaptés aux niches écologiques des espèces parentes. Au contraire, l'hybridation permet ici le passage d'innovations génétiques « prêtes à l'emploi » d'une espèce à l'autre, et constitue ainsi un moteur de l'évolution à ne pas négliger. Ces résultats pourraient s'appliquer à d'autres adaptations comme la résistance chez certains insectes tels que les moustiques Anopheles, les traits de domestication ou encore, les gènes d'immunité du génome humain.

Parallèlement à l'étude du mimétisme, le séquençage du génome de H. melpomene a permis de décrire certaines fonctions peu connues chez ces lépidoptères, et là aussi les résultats bouleversent les idées reçues. On pensait notamment que les papillons diurnes, à grande acuité visuelle, avaient une communication olfactive moins développée que les papillons de nuit. Or, les chercheurs ont montré qu'au contraire, H. melpomene possède une grande diversité de récepteurs olfactifs, comparable à celle des papillons nocturnes, tel le bombyx du mûrier (ver à soie), et même des expansions de certaines familles de gènes chimiosensoriels. Ceci ouvre un vaste champ de recherche sur la complexité de la communication chimique des papillons de jour.

 

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© Chris Jiggins, University of Cambridge. Cette image est disponible à la photothèque du CNRS, phototheque@cnrs-bellevue.fr

Heliconius melpomene, dont le génome est à présent entièrement séquencé.

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© Chris Jiggins, Cambridge, 2009. Cette image est disponible à la photothèque du CNRS, phototheque@cnrs-bellevue.fr

Le papillon Heliconius melpomene, dont le génome est à présent entièrement séquencé. 
Les motifs colorés de ses ailes sont utilisés comme signaux de leur toxicité, et leur permettent d'être évités par les prédateurs avertis.

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Références :

The Heliconius Genome Consortium. "Butterfly genome reveals promiscuous exchange of mimicry adaptations between species". Nature, DOI: 10.1038/nature11041. Publication le 16 mai 2012.