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Démêler l’histoire des lucanes de Hachijo-jima

Des différences de mandibules à l’histoire des îles et de la mer

Sur les grandes îles du Japon comme à Hachijo-jima vivent des lucanes aux mandibules en dents de scie. Imaginons deux mâles de taille comparable, l’un de chaque endroit, placés côte à côte. Celui de Hachijo-jima a des mandibules plus courtes. Cela suffit-il à dire qu’ils appartiennent à deux espèces différentes ?

Les mandibules sont bien un indice pour distinguer des espèces. En comparant de nombreux individus, les chercheurs ont constaté que les mâles de Hachijo-jima avaient tendance à présenter des mandibules plus courtes par rapport à leur corps que ceux des grandes îles japonaises.

Pourquoi cette différence est-elle apparue à Hachijo-jima ? L’île s’est formée lorsque des volcans nés au fond de l’océan ont émergé. Les ancêtres des lucanes auraient donc traversé la mer après l’apparition de terres émergées.

Une fois installés à Hachijo-jima, les lucanes ont-ils continué à recevoir des nouveaux venus des grandes îles ou des îles voisines ? Kodai Kishino et ses collègues se sont intéressés à ces déplacements. Des liens différents avec l’extérieur pourraient avoir contribué au raccourcissement des mandibules. Suivons cette énigme.

Pour comparer les mandibules, mesurer la largeur du thorax

La longueur du corps indique la taille d’un animal dans le sens de la longueur. Certains guides de lucanes la mesurent de la pointe des mandibules à l’extrémité arrière. Avec cette méthode, des mandibules plus longues donnent une longueur totale plus grande, même si le reste du corps est identique. Pour comparer les mandibules à la taille du corps, l’équipe a donc utilisé un autre repère : la largeur du thorax, la partie située juste derrière la tête.

Les chercheurs ont photographié les lucanes de Nasu Kogen, sur l’une des grandes îles japonaises, et ceux d’Oshima, Niijima, Kozushima et Hachijo-jima, directement par-dessus. Ils ont mesuré sur les photos la largeur du thorax et la longueur des mandibules. En prenant cette largeur comme référence, les mandibules des mâles avaient tendance à raccourcir dans l’ordre suivant : grandes îles japonaises, Oshima, Niijima, puis Kozushima. Celles de Hachijo-jima étaient les plus courtes, relativement au corps, parmi les lucanes étudiés.

Les lucanes de Hachijo-jima étaient d’abord considérés comme une forme locale particulière de la même espèce que les lucanes à mandibules dentées des grandes îles japonaises. En 1985, des différences d’apparence ont conduit à les traiter comme une espèce distincte, appelée en japonais le lucane à mandibules dentées de Hachijo. La question étudiée cette fois par l’équipe de Kishino était celle des liens passés avec les lucanes des autres îles et des grandes îles japonaises.

Quand Hachijo-jima s’est-elle séparée des grandes îles japonaises ?

Si leurs lucanes ont des ancêtres communs, ces terres étaient-elles autrefois reliées ? Hachijo-jima est une île volcanique du sud de l’archipel d’Izu, qui s’étire au large de la péninsule d’Izu. Les recherches géologiques n’ont pas trouvé de preuve qu’elle se serait formée en se détachant des grandes îles japonaises. Les volcans à son origine sont nés sous la mer, puis ont émergé.

Des cendres volcaniques venues de Kyushu donnent un indice sur la date. Des cendres vieilles d’environ 240 000 ans ont été découvertes dans des couches formées à terre à Hachijo-jima. Cela suggère que des terres dépassaient déjà de la mer au moment de leur chute.

Compte tenu de cette histoire, il est logique de penser que les ancêtres des lucanes sont arrivés par la mer après la formation des terres. Ils ont pu, par exemple, dériver sur du bois flottant. Sont-ils venus directement des grandes îles ou en passant par des îles voisines ? Sur quoi voyageaient-ils, et quand sont-ils arrivés ? Les couches géologiques indiquent seulement que des terres existaient déjà à cette époque.

Chercher dans l’ADN les traces des déplacements ultérieurs

Supposons que les ancêtres des lucanes aient traversé la mer et se soient installés sur l’île. D’autres lucanes ont-ils continué à arriver ensuite ? Nous ne pouvons pas observer directement ces anciens déplacements. Mais si des arrivants ont eu des descendants sur l’île, leur ADN a pu être transmis jusqu’aux lucanes actuels. L’équipe y a cherché des traces.

L’ADN est une substance qui porte des informations liées à la construction et au fonctionnement du corps. Sa structure comporte quatre sortes de composants chimiques appelés bases. Leur ordre permet de stocker ces informations. Cet ordre se transmet des parents aux descendants, mais une petite partie change parfois. Comparer les changements conservés dans différentes populations aide à étudier leurs liens.

L’équipe a d’abord comparé l’ADN des mitochondries. Ces structures, présentes dans les cellules, utilisent les nutriments des aliments pour produire de l’énergie sous une forme utilisable par la cellule. Chez beaucoup d’animaux, leur ADN est transmis principalement par la mère. Comparer ses séquences permet donc de suivre les liens maternels, comme on remonterait un arbre familial d’une mère à sa propre mère.

Les chercheurs ont lu une portion de l’ADN mitochondrial. Elle contient les informations nécessaires à la fabrication d’un composant intervenant dans la production d’énergie.

Ils ont comparé les séquences des lucanes pour repérer leurs ressemblances et leurs différences. À partir de ces comparaisons, ils ont estimé dans quel ordre les lignées s’étaient séparées de leurs ancêtres communs. Une représentation de ces liens sous forme de branches s’appelle un arbre phylogénétique.

Ils ont construit cet arbre avec des lucanes provenant de huit îles d’Izu, des grandes îles japonaises et d’autres lieux. Hachijo-jima et des îles du sud, dont Miyake-jima, se retrouvaient sur une même branche, distincte de celle des grandes îles. Les lucanes de cette branche auraient donc un ancêtre commun plus récent entre eux qu’avec ceux des grandes îles. Oshima et Niijima appartenaient à la branche des grandes îles. Comparer davantage de portions de l’ADN mitochondrial n’a pas changé cette disposition.

L’équipe a ensuite comparé l’ADN du noyau, hérité à la fois du père et de la mère. Le noyau est la partie de la cellule qui contient la majeure partie de son ADN. Les chercheurs ont comparé 1 317 gènes de cet ADN nucléaire. Un gène est une portion d’ADN portant des informations liées à la construction ou au fonctionnement du corps.

Dans l’arbre fondé sur l’ADN nucléaire, Oshima, Niijima, Miyake-jima et Hachijo-jima formaient une branche distincte de celle des grandes îles japonaises. Cette branche se divisait ensuite entre Hachijo-jima et les trois autres îles. Miyake-jima, qui partageait une branche avec Hachijo-jima dans l’arbre mitochondrial, en partageait donc une avec Oshima et Niijima dans l’arbre nucléaire.

Des déplacements après l’installation des lucanes pourraient-ils expliquer ce décalage ? Si des arrivants plus récents avaient eu des descendants sur les îles, leur ADN aurait pu s’ajouter à celui des populations locales. L’équipe a examiné cette possibilité de plus près.

Quelles îles partagent le plus de changements d’ADN avec les grandes îles ?

Les chercheurs ont réuni Oshima, Niijima et Miyake-jima en un groupe pour le comparer à la population de Hachijo-jima. Ils ont cherché de quel côté se trouvaient le plus de positions de l’ADN portant les mêmes changements que chez les lucanes des grandes îles japonaises.

Si, après leur séparation, aucun des deux groupes n’avait eu de descendants avec des lucanes des grandes îles, on ne s’attendrait pas à une forte concentration de ces changements communs d’un seul côté. Pourtant, le groupe des trois îles en présentait davantage que Hachijo-jima.

Si des arrivants des grandes îles s’étaient reproduits avec les lucanes des trois îles, leurs descendants auraient reçu leur ADN. Cela expliquerait ce déséquilibre. En tenant compte aussi d’autres analyses, l’équipe a conclu que des lucanes venus des grandes îles avaient laissé des descendants sur les trois îles. Elle n’a pas obtenu de preuve équivalente pour Hachijo-jima.

Le Kuroshio a-t-il freiné les voyages vers Hachijo-jima ?

Des traces de liens avec les grandes îles ont été trouvées à Oshima, Niijima et Miyake-jima, mais pas les mêmes traces à Hachijo-jima. Toutes ces îles sont séparées par la mer. Pourquoi cette différence ?

Pour l’étudier, l’équipe a aussi estimé, à partir de l’ADN, la date de séparation entre les populations des grandes îles et de Hachijo-jima. L’estimation est d’environ 150 000 ans, avec une plage indiquée dans l’article allant approximativement de 120 000 à 190 000 ans. Le calcul suppose que les deux populations n’ont pas eu de descendants ensemble après leur séparation. Il ne date donc pas l’arrivée des premiers lucanes sur l’île.

Les couches géologiques montrent qu’il y avait déjà des terres à Hachijo-jima il y a environ 240 000 ans. Pour comprendre les liens ultérieurs entre lucanes, l’équipe s’est intéressée au Kuroshio. Ce puissant courant marin passe parfois entre Mikura-jima et Hachijo-jima. Les chercheurs ont envisagé qu’il ait pu freiner les déplacements vers l’île.

Des études de l’océan ancien, fondées sur les boues accumulées au fond de la mer, suggèrent que le Kuroshio coulait plus au sud pendant une période froide. Selon Kishino et ses collègues, les ancêtres des lucanes auraient alors pu atteindre Hachijo-jima. Plus tard, le courant se serait déplacé vers le nord, traversant l’espace entre les îles. Il aurait pu entraîner le bois flottant ailleurs et rendre l’île plus difficile à atteindre. C’est une hypothèse. La date de séparation reste estimée dans une large plage : on ignore si elle coïncide exactement avec le changement de trajectoire du courant.

Chaque fois que des lucanes des grandes îles ont des descendants sur une petite île, ils ajoutent leur ADN à la population locale. L’équipe propose qu’à Hachijo-jima, des apports plus faibles aient permis à des changements adaptés à la vie insulaire de se maintenir plus facilement, favorisant aussi l’évolution de mandibules plus courtes.

Qu’ont-ils modifié pendant la croissance des larves ?

Si le développement des mandibules a changé, l’ADN lié à la croissance pourrait offrir un autre indice. Les cellules des larves possèdent un composant qui reçoit des signaux de croissance envoyés en fonction de l’état nutritionnel du corps. Chez les lucanes de Hachijo-jima, l’ADN donnant les instructions pour fabriquer ce composant présentait des différences absentes des autres populations étudiées.

L’équipe a réparti des larves des grandes îles japonaises en deux groupes. Dans l’un, elle a réduit la production de ce composant. Une fois adultes, les mâles de ce groupe avaient des mandibules plus courtes par rapport au corps que ceux du groupe sans cette intervention. L’expérience a donc confirmé que ce composant participe au développement des mandibules.

Ce que l’on sait et ce qu’il reste à vérifier

Cette étude a confirmé que les mâles de Hachijo-jima ont des mandibules plus courtes, même en tenant compte de la taille du corps. Les comparaisons d’ADN ont révélé des traces de descendants de lucanes venus des grandes îles à Oshima, Niijima et Miyake-jima. Les mêmes traces n’ont pas été trouvées à Hachijo-jima : les liens avec les grandes îles diffèrent donc selon les îles.

L’équipe propose que les apports plus faibles d’ADN à Hachijo-jima aient permis aux changements adaptés à la vie insulaire de mieux se maintenir, favorisant l’évolution de mandibules plus courtes. Le milieu de l’île et l’histoire de ses liens plus faibles avec les grandes îles japonaises pourraient tous deux avoir joué un rôle.

Il reste à tester cette explication. L’expérience a montré qu’une production réduite d’un composant lié à la croissance chez les larves des grandes îles entraîne des mandibules plus courtes. Mais les chercheurs n’ont pas vérifié si les différences d’ADN observées à Hachijo-jima modifient elles-mêmes le fonctionnement de ce composant. Pour savoir quand des mandibules courtes sont utiles sur l’île, il faudra aussi étudier où les mâles se rencontrent et ce qu’ils se disputent.

L’idée que le Kuroshio aurait gêné les déplacements vers Hachijo-jima reste elle aussi une hypothèse. Il faut davantage de preuves pour comprendre quand et par quel trajet les premiers lucanes sont arrivés, puis comment les déplacements ont changé. Comparer, par exemple, d’autres insectes présents à la fois à Mikura-jima et à Hachijo-jima permettrait de voir si leurs différences d’ADN augmentent aussi entre ces deux îles. Cela pourrait aider à évaluer l’influence du courant.

En creusant une différence de mandibules, nous sommes arrivés à la naissance d’une île et aux mouvements de la mer. Des liens plus faibles avec les grandes îles ont-ils favorisé une évolution propre à Hachijo-jima ? À partir de ces résultats, le prochain défi est de relier le fonctionnement de l’ADN à la vie des lucanes sur l’île.

Références