La génétique en mutations

En 1910, un an après l’invention du terme gène, défini alors comme « unité de calcul de l’hérédité » mais dont la nature chimique n’est pas encore établie, Morgan apporte un premier élément de preuve expérimentale à l’hypothèse selon laquelle les chromosomes comportent l’information héréditaire. Ce résultat et les recherches qui vont suivre, appuyées sur celles de ses pairs, lui permettent d’établir la théorie chromosomique de l’hérédité qui lui vaudra le prix Nobel de physiologie-médecine en 1933. Si la genèse de cette théorie aujourd’hui célèbre est très documentée, des zones d’ombre subsistent pourtant, par exemple quant aux motifs des recherches de Morgan, qui doivent au génie, aux collaborations, au hasard des rencontres...¹

Afin de reconstituer un cheminement scientifique tel que celui de Morgan et de ses collaborateurs, l’historien doit sélectionner des « sources primaires » (des textes de Morgan) et des « sources secondaires » (des écrits de ses contemporains et d’historiens des sciences) avant de les confronter. L’analyse croisée d’archives de biologistes et d’expérimentateurs ayant pratiqué des hybridations (des horticulteurs, principalement) a permis notamment de montrer que si les seconds s’intéressaient de près aux lois de l’hérédité formulées en 1866 par Gregor Mendel à l’issue de longs travaux d’hybridation de petits pois, Morgan, comme la majorité des premiers, doutait pourtant que ces lois soient généralisables à tous les êtres vivants.

La consécration des gènes…

Morgan axe ses premières recherches sur l’étude comparative du développement d’embryons chez différentes espèces animales (des araignées terrestres et de mer, notamment). Sa rencontre avec le zoologiste allemand Hans Driesch à Naples, en 1894, l’incite à étudier les facteurs susceptibles de modifier ce développement, en particulier d’influer sur la détermination du sexe. Dans ce cadre, il s’intéresse à la théorie darwinienne de l’évolution mais doute que « l’hérédité avec variations » ait pu engendrer toute la diversité des espèces vivantes : ce mécanisme proposé par Darwin lui semble manquer au moins de vérifications expérimentales.

Aussi entreprend-il, en 1908, de tester sur la Drosophile (Drosophila melanogaster, une mouche utilisée aujourd’hui encore en biologie parce qu’elle est prolifique, facile à élever et que son cycle reproductif est bref) la validité de la « théorie de la mutation » formulée par le botaniste Hugo de Vries. Après deux ans d’observations peu fructueuses, ses collaborateurs repèrent un mâle aux yeux blancs dans un élevage dont tous les autres individus ont les yeux rouges ; ils le croisent avec des femelles aux yeux rouges pour étudier statistiquement la transmission du caractère « yeux blancs » au fil des générations successives. Les descendants qui ont les yeux blancs sont tous mâles (cf. l’illustration). Morgan conclut que ce caractère se transmet avec les chromosomes sexuels.

Par la suite, Morgan et son équipe observent l’apparition spontanée d’autres caractères mutants, portant sur la pigmentation du corps, la forme des ailes, etc. Ils constatent que certaines mutations sont liées, transmises ensemble, ce qui contredit la loi de ségrégation indépendante des caractères émise par Mendel. Morgan propose que ce phénomène découle d’une disposition linéaire des gènes à des emplacements déterminés (les loci ) sur les chromosomes. Ce modèle permet aussi d’interpréter les effets du crossing-over (échange de fragments de chromosomes homologues lors de la méiose) observé en 1909 par Frans A. Janssens à l’université de Louvain : plus les loci de deux gènes sont proches, plus ces gènes tendent à être hérités ensemble. Il conduit Alfred Sturtevant, élève de Morgan, à établir la première carte génétique de la Drosophile en 1913.

…avant celle de leur complexité
Ayant fini par admettre, en la validant largement, la théorie de Mendel, Morgan étaie aussi la vision de Darwin dans sa Critique de la théorie de l’évolution (1916). Il pense alors que la compréhension des mécanismes chimiques d’action des gènes va devenir l’objectif majeur de la génétique. Certains de ses étudiants participeront à la fondation de la génétique moléculaire après la découverte de la molécule d’ADN en 1953.

Cette génétique nouvelle et ses techniques de séquençage révèlent la multitude de gènes communs aux différentes espèces et les limites de la vision déterministe relativement simple du début du XXe siècle : on découvre qu’un gène peut avoir plusieurs fonctions dans la différenciation ou dans le fonctionnement des cellules, que des gènes « de régulation » contrôlent l’expression d’autres gènes... Alors que les liens entre évolution, hérédité et développement embryonnaire constituent toujours un vaste champ de recherches, les travaux de Morgan semblent exemplaires de la fertilité de la confrontation d’idées ou de pratiques scientifiques et surtout de la démarche expérimentale, tant pour tester les théories que pour en bâtir de nouvelles.

1.Cf. La piste du chromosome, J.-F. Bouhours, ci-dessous

L’hérédité mendélienne chez la Drosophile Le caractère « yeux blancs », présent seulement chez le mâle, n’apparaît qu’à partir de la deuxième génération (il est récessif). Extrait de The mechanism of mendelian heredity, T.°H.°Morgan, A.°H°Sturtevant, H.J.°Muller, C.°B.°Bridges (1915), prêté par Electronic Scholarly Publishing Project, http://www.esp.org

La piste du chromosome

Il ne fait plus aucun doute aujourd’hui que le patrimoine génétique d’un individu est inscrit dans l’ADN de ses chromosomes et qu’il hérite d’un lot de chromosomes paternels et d’un lot de chromosomes maternels. C’est en partie pourquoi il est difficile de se replacer dans le contexte des années 1870, à l’époque de Darwin et de Mendel, quand on ignorait par quels mécanismes les caractères étaient hérités d’une génération à une autre : le rôle du noyau des cellules et, a fortiori, des chromosomes étaient alors inconnus. Il a fallu une quarantaine d’années d’observation, d’expérimentation et d’interprétation des données par de nombreux chercheurs pour montrer que les chromosomes, « ces organites qui mènent leur vie indépendante dans la cellule » (Theodor Boveri, 1887), sont le support de l’hérédité et, plus généralement, pour que les grands mécanismes décrits par Darwin et par Mendel s’imposent face aux conceptions alors dominantes mais peu étayées scientifiquement, comme la génération spontanée, le transformisme et le vitalisme¹.

De grands pas microscopiques
Deux nouvelles sciences biologiques sont nées entre 1875 et 1915 : la biologie cellulaire et la génétique. « Ces deux disciplines, qui se sont développées indépendamment l’une de l’autre, ont conduit à des résultats si harmonieux qu’on pourrait penser qu’une des disciplines a été déduite théoriquement de l’autre »; la probabilité « est extrêmement forte que les caractères qu’a étudiés Mendel soient connectés à des chromosomes spécifiques », écrivait Boveri dès 1903².

La description de la cellule comme unité vivante constitutive d’organismes complexes a été rendue possible par le perfectionnement des microscopes³ et l’invention de techniques de coloration qui permettent de « voir » des objets invisibles à l’œil nu car petits et transparents. Dès 1880, les embryologistes peuvent ainsi observer le développement des embryons à partir du stade unicellulaire. Les nouvelles observations microscopiques suscitent ou précisent des questions relatives à la différenciation cellulaire : comment, à partir d’une seule cellule, tant de cellules distinctes sont-elles produites pour former les différents organes que sont les muscles, les poumons ou le cerveau ? Si la cellule est « l’unité de vie », elle doit contenir tout ou partie du patrimoine génétique d’un individu. Lors de la mitose, comment ce patrimoine est-il réparti entre les différents types cellulaires ? À quelle structure cellulaire est-il attaché ?

Des voyages féconds
Ces questions trouvent réponse en grande partie en Allemagne et à l’université Columbia, à New York. Edmund Beecher Wilson, chef du département de zoologie à Columbia depuis 1894, y fait venir Thomas Hunt Morgan en 1904. Tous deux ont fréquenté plusieurs fois le laboratoire de zoologie marine de Naples, où ils ont rencontré des confrères allemands, en particulier Theodor Boveri, médecin-chercheur à l’Institut de zoologie de Munich et découvreur de la réduction chromatique (division par 2 du nombre de chromosomes) lors de la méiose (1887), du rôle des chromosomes et des centrosomes dans la division cellulaire (1888), et de l’égale contribution des chromosomes paternels et maternels dans le développement de l’embryon (1890).

Wilson, venu en séjour de travail dans le laboratoire de Boveri, à Munich, invite celui-ci à intégrer son institut new-yorkais, mais le zoologiste allemand accepte finalement, en 1893, un poste de Professeur à Würtzburg. En 1897, Wilson envoie chez Boveri sa plus brillante étudiante, Marcella O’Grady, première femme diplômée du fameux Massachusetts Institute of Technology. Collaboratrice très active de son nouvel hôte, elle devient aussi son épouse. En observant les divisions cellulaires anormales d’œufs d’oursin, les Boveri démontrent en 1902 que les chromosomes portent chacun une part du patrimoine génétique de l’individu, une preuve que Walter Sutton, collaborateur de Wilson, établit aussi à New York, au même moment, en étudiant les larves de sauterelles ; la théorie chromosomique de l’hérédité est née ! Wilson découvre, en 1905, que le sexe des individus est déterminé par les chromosomes XX ou XY. Dès lors, tout est prêt pour que les généticiens « s’emparent » des chromosomes.

En effet, lorsque Morgan découvre des caractères liés au sexe chez la Drosophile, en 1910, il n’a aucun mal à les associer au chromosome X identifié cinq ans plus tôt dans le laboratoire, proche du sien, où travaillent Wilson et Sutton^4. Et lorsqu’il est confronté au phénomène de transmission simultanée de différents caractères (les caractères « liés »), il propose une extension de la théorie de Boveri : les gènes sont présents sur les chromosomes comme des perles sur un collier.

Une synthèse créatrice
Morgan, en tant qu’embryologiste, a vécu de très près les avancées de la biologie cellulaire. C’est sans doute grâce à cette proximité qu’il a été en mesure d’associer la théorie de la transmission des caractères héréditaires de Mendel et la théorie cellulaire de l’hérédité de Boveri et Sutton pour fonder ce que nous nommons aujourd’hui la génétique classique ; en étudiant la transmission des caractères mutés, il a, dans le même temps, validé (presque à son corps défendant) la théorie de l’évolution de Darwin qui avait alors largement disparu de la scène scientifique.

1. génération spontanée : apparition d’êtres vivants sans parents

vitalisme : conception selon laquelle la vie n’est pas réductible à un ensemble de phénomènes purement physico-chimiques

transformisme : théorie, principalement développée par Jean-Baptiste de Lamarck, selon laquelle les individus héritent de caractères modifiables notamment via l’influence du milieu de vie, ces transformations pouvant être transmises aux descendants (elles seraient ainsi responsables de l’évolution des espèces)

2. Theodor Boveri, par Fritz Baltzer (Science, 15 mai 1964, 809-815). Si Boveri n’était pas décédé à 53 ans, en 1915, il aurait probablement partagé avec Morgan le prix Nobel de physiologie-médecine en 1933.
3.Voir article sur Carl Zeiss sur Wikipedia

4. C’est l’absence de l’un des deux chromosomes X qui, chez la drosophile mâle, est responsable de la manifestation du caractère « yeux blancs ».