Qu'est-ce qu'un nom ?

Combien d'entre nous, à la vue d'un oiseau, d'une plante ou d'un insecte, s'arrêtent pour se demander ... Qui est-ce ? Comment doit-on le classer ? De quelle espèce s'agit-il ? Le désir de classer et de nommer nos voisins non humains est au cœur de la relation de l'humanité avec la nature, les noms locaux variant considérablement d'une région et d'une culture à l'autre. En effet, la façon dont nous répondons à ces questions en dit long sur l'endroit où nous vivons et sur les personnes avec lesquelles nous vivons.

Le poisson de lac commun connu en Ontario sous le nom de Sheepshead est appelé Gaspergoo en Louisiane. À Toronto, tout petit poisson argenté peut être appelé "vairon", alors que les amateurs et les scientifiques distinguent pas moins de 38 espèces de vairons dans la seule province de l'Ontario, du naseux perlé d'Allegheny au méné à queue tachetée. Pour aller encore plus loin, les cultures Tukano du nord-ouest de l'Amazonie sont réputées pour la précision avec laquelle elles distinguent chacune des centaines d'espèces de poissons tropicaux qui peuplent les ruisseaux et les rivières de leur forêt tropicale, ce qui fait écho à la célèbre précision avec laquelle les cultures inuites du Canada reconnaissent les différentes couches de neige et de glace.

La myriade de façons dont les gens nomment la nature est, d'une part, une manifestation poignante de la diversité des perspectives culturelles. Cependant, pour les scientifiques spécialistes de la biodiversité qui doivent collecter, rassembler et communiquer avec précision et efficacité des données sur les espèces à travers les générations, les cultures et les communautés, il est essentiel de disposer d'un système parallèle permettant de nommer la nature de manière cohérente et précise, ainsi que de nouveaux outils permettant d'obtenir rapidement le nom correct de chaque espèce.

Tragiquement, l'accélération continue de la perte de biodiversité mondiale place les scientifiques et les chercheurs dans une course urgente non seulement pour protéger les espèces documentées, mais aussi pour découvrir, différencier et nommer la diversité stupéfiante des espèces qui n'ont pas encore été décrites. Plus que jamais, les biologistes ont besoin de l'aide des nouvelles technologies et du big data pour attribuer rapidement et sans ambiguïté à la multitude d'espèces de la Terre le nom scientifique qui leur convient. Les conservateurs et les collections d'histoire naturelle du ROM, ainsi que les recherches de pointe sur la biodiversité qu'ils dirigent et facilitent, contribuent à ouvrir la voie.

Une grande partie de mes recherches récentes en tant que conservateur associé des poissons du ROM s'est concentrée sur la résolution de la confusion taxonomique et l'amélioration des outils d'identification des espèces de poissons de l'Amazonie occidentale, dans l'est de l'Équateur et le nord du Pérou. Les rivières de cette région sont les plus riches en biodiversité du bassin amazonien, qui est lui-même l'écosystème d'eau douce le plus riche en biodiversité de la planète. Si les biologistes de la pêche de l'Ontario ont du mal à identifier quelques dizaines d'espèces de vairons - une fraction des quelque 5 000 espèces de poissons de l'Amazonie -, les scientifiques et les défenseurs de l'environnement locaux et étrangers devront recourir à de nouvelles technologies révolutionnaires pour identifier et surveiller rapidement, mais avec précision, les communautés de poissons de l'Amazonie menacées par les barrages, l'exploitation minière, la déforestation et la sécheresse.

Le métabarcodage* de l'ADN environnemental (ADNe) est une approche de pointe que les étudiants et le personnel de la division des poissons du ROM, les collaborateurs en Équateur et au Pérou et moi-même développons pour répondre à ce besoin. Les fondements de cette approche ont été posés il y a seulement deux décennies à Guelph, en Ontario, par le professeur Paul Hebert, le fondateur pionnier de l'initiative Barcode of Life (code-barres de la vie). C'est en scannant des produits alimentaires que le professeur Hebert a eu l'idée de mettre au point un outil basé sur l'ADN permettant d'identifier n'importe quelle espèce sur Terre, tout comme les séries uniques de lignes noires verticales permettent de différencier le lait entier du lait à 2 % à la caisse de l'épicerie. Pendant des centaines d'années, et encore aujourd'hui, lorsque nous ne sommes pas en mesure de lire immédiatement l'ADN d'une espèce, les identifications taxonomiques ne peuvent se faire qu'en examinant les caractéristiques anatomiques, qui peuvent être très variables et nécessitent une formation spécialisée pour être correctement interprétées.

L'initiative du code-barres de la vie a lancé une renaissance taxonomique mondiale. Les laboratoires du monde entier se sont empressés de séquencer le gène de la cytochrome oxydase I (COI) - la région d'ADN que Hebert et ses collègues ont désignée comme norme mondiale - afin de constituer des bases de données de référence pour le plus grand nombre d'espèces possible. En un temps remarquablement court, de vastes bibliothèques de séquences COI pour des milliers d'espèces ont été générées, agrégées et archivées dans des dépôts accessibles au public et financés par les pouvoirs publics.

Malheureusement, des fissures dans ce système ont également commencé à apparaître. Dans la course décentralisée à la génération et au partage des séquences COI de toutes les espèces de la Terre, des liens essentiels entre ces séquences et les spécimens sources ont été perdus. Même lorsque ces liens ont été conservés, les précieux spécimens sources qui relient les séquences COI à notre système de taxonomie par l'intermédiaire de leurs caractères anatomiques ont trop souvent été conservés dans des laboratoires de petite taille, éloignés ou disposant de peu de ressources, qui ne veulent pas ou ne peuvent pas mettre les spécimens à la disposition des experts en taxonomie pour une vérification de leur identité, lesquels ont eux-mêmes trop peu de ressources pour se déplacer afin de procéder à de telles vérifications. Par conséquent, les bibliothèques de référence de codes-barres existantes sont entachées d'erreurs d'identification, et la correction de ces erreurs d'identification à grande échelle est pratiquement impossible.

Aujourd'hui, l'avènement du métabarcodage de l'ADN électronique a déclenché une deuxième révolution dans la taxonomie moléculaire, avec des implications stupéfiantes, notamment pour la détection d'organismes rares, en danger ou potentiellement menaçants, tels que les espèces envahissantes. Grâce aux nouvelles technologies de séquençage génétique qui permettent l'approche de l'ADN électronique, les scientifiques spécialistes de la biodiversité ont soudain été en mesure d'identifier avec précision des centaines d'espèces à la fois à partir de simples échantillons environnementaux, tels que quelques litres d'eau ou même d'air, sur la base de l'ADN contenu dans la multitude de cellules mortes que tous les organismes multicellulaires rejettent en permanence dans leur environnement.

Travailler avec l'ADN électronique, c'est comme travailler avec la magie. C'est comme si nous avions été téléportés dans un futur univers à la Star Trek dans lequel n'importe quel objet ou organisme peut être instantanément identifié d'un simple coup de tricordeur. Bien que nous soyons encore loin de pouvoir effectuer des analyses d'ADN électronique instantanément, notre capacité à identifier moléculairement jusqu'à plusieurs centaines d'espèces dans un échantillon d'eau en quelques jours constitue une avancée majeure par rapport à ce qui aurait nécessité auparavant des semaines, voire des mois, de travail ardu sur le terrain.

De manière fortuite, la nouvelle approche de métabarcodage fournit également aux scientifiques de la biodiversité l'occasion tant attendue de construire de toutes nouvelles bases de données de référence de codes-barres soutenues par des spécimens, d'une manière qui résout les défauts de longue date de l'approche fragmentaire précédente. En raison des limites des technologies de séquençage utilisées pour l'ADN électronique, la séquence COI qui constituait la norme initiale d'Hebert a été remplacée par un gène voisin connu sous le nom de 12S. Par conséquent, des bases de données de référence entièrement nouvelles doivent être créées pour la nouvelle région du code-barres, ce qui crée une ouverture critique que le ROM, avec sa vaste collection d'échantillons génétiques congelés et de spécimens entiers liés, est idéalement placé pour combler.

Reconnaissant ce besoin et cette opportunité en 2021, j'ai eu la chance d'être invité par des collègues de l'Universidad de las Américas (UDLA) à Quito, en Équateur, pour diriger la création d'une nouvelle base de données de référence d'ADN électronique pour l'Amazonie équatorienne. J'ai rejoint des collaborateurs de l'UDLA et du World Wildlife Fund lors de deux expéditions dans l'est de l'Équateur en 2021 et 2022 et j'ai dirigé deux expéditions supplémentaires en 2022 et 2023 dans des zones adjacentes du nord du Pérou avec des collègues de l'Universidad Nacional Mayor de San Marcos à Lima et de l'Instituto de Investigaciones de la Amazonía Peruana à Iquitos, et grâce au financement du ROM et de la Coypu Foundation, basée à la Nouvelle-Orléans. Au total, ce travail de terrain a permis de collecter près de 10 000 spécimens entiers de plus de 600 espèces de poissons d'Amazonie occidentale, ainsi qu'environ 4 000 échantillons génétiques congelés. Mon laboratoire de la division des poissons du ROM, avec l'aide de techniciens du musée et d'étudiants de l'université de Toronto, utilise ce matériel pour établir la première bibliothèque de référence centralisée et taxonomiquement complète d'ADN 12S pour les poissons d'Amazonie occidentale.

Avant notre projet, il n'y avait pas une seule séquence COI pour un poisson de l'Amazonie équatorienne dans un grand dépôt accessible au public et seulement une séquence 12S. Notre projet a déjà généré plus de 400 séquences COI et plus de 800 séquences 12S, et la bibliothèque ne cesse de s'agrandir.

Notre objectif est de créer une bibliothèque de référence combinée 12S et COI qui soit accessible au public et de relier chacune des séquences d'ADN spécifiques à une espèce à un spécimen archivé et accessible en permanence au ROM. Ainsi, lorsque la bibliothèque sera utilisée pour identifier des échantillons d'ADN électronique, les futures générations de scientifiques sauront exactement à quel spécimen individuel la séquence d'ADN appartient. En outre, les chercheurs pourront se rendre au ROM ou demander le prêt de chaque spécimen pour l'étudier et mettre à jour les identifications taxonomiques au fur et à mesure que notre compréhension de la diversité amazonienne et de la nomenclature des espèces évolue avec le temps.

Lors d'un récent essai utilisant une première version de notre nouvelle bibliothèque de référence pour identifier des séquences d'ADN environnementales réelles provenant de l'Amazonie équatorienne, nos données ont donné de bons résultats, améliorant le taux d'identification précise des espèces de plus de 60 % par rapport aux bases de données non équatoriennes existantes. Le nombre total d'espèces identifiées reste cependant faible, passant de seulement 87 à 141 sur un total d'environ 410 espèces de poissons indiquées par les échantillons d'ADN électronique.

Bien que nous fassions d'énormes progrès dans le domaine des nouvelles méthodologies d'étude de la biodiversité, la mise en place de l'infrastructure permettant de maximiser ces outils est une tâche ardue. Les années de travail sur le terrain et dans les musées nécessaires pour collecter et nommer chaque espèce afin d'établir une bibliothèque complète de spécimens liés et de données de séquence constituent une tâche monumentale. Pourtant, ce travail est essentiel. À une époque où l'espoir de sauver la nature peut se faire rare, je suis plus enthousiaste que jamais à l'idée que l'énorme potentiel des collections d'histoire naturelle centenaires du ROM puisse être exploité pour répondre aux besoins urgents présentés par les approches modernes de dénomination et de protection de nos voisins non humains.

*Dans ce contexte, le terme "méta" fait référence à la lecture synchronisée de centaines de séquences d'ADN à partir d'un seul échantillon environnemental, un ordinateur étant nécessaire pour démêler les séquences individuelles.

Nathan K. Lujan est conservateur adjoint des poissons au ROM. Ce poste est généreusement soutenu par la Fondation de la famille Herbert A. Fritch.