Parenté entre les êtres vivants et Evolution Introduction :
- Quelques rappels de seconde: (pages 18/19)
Le monde vivant est constitué des : procaryotes (bactéries)+ eucaryotes (animaux + végétaux + champignons) ; (mais les virus, parasites cellulaires obligatoires sont classés « à la limite du vivant ») Tous les êtres vivants ont des caractéristiques communes
- Ils sont composés de cellules (http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/doscel/accueil2.htm) (=unité structurale et fonctionnelle du vivant),
- Leur information génétique (http://www.inra.fr/genomique/ogmbd/infogenetique.htm) est constituée d'ADN (Acide Désoxyribo Nucléique),
- Les mécanismes assurant le maintient du caryotype et des caractères d’une génération à la suivante au sein d’une même espèce sont les mêmes.
Réplication (http://bcs.whfreeman.com/mga2e/pages/bcs-
main.asp?s=37&n=003&i=75.3&v=chapter&o=&ns=0&t=&uid=0&rau=0)de l’ADN, mitose (http://genet.univ-tours.fr/gen000100_fichiers/mitose.HTM)
expression des gènes grâce à l’universalité du code génétique
PB : Le partage de ces propriétés traduit l'origine commune de tous les êtres vivants, mais comment expliquer la diversité du monde vivant au sein de ce cadre d’unité ?
La diversité du monde vivant résulte de l'évolution :Ensemble des mécanismes responsables de la modification des organismes au cours des générations des êtres vivants.
I/Les liens de parenté au sein d’un groupe : les Vertébrés
Espèce = ensemble d'individus partageant des caractères communs, interféconds et engendrant des individus eux-mêmes féconds.
Il peut exister des hybridations, entre espèces (proches) différentes (âne-cheval, lion-tigre…) Mais les individus issus de ces reproductions sont stériles.
Nous allons nous intéresser aux liens de parenté des animaux appartenant à un groupe : les Vertébrés : = eucaryote, animaux possédant un squelette interne qui regroupe les poissons, les batraciens, les reptiles, les oiseaux, les mammifères (classification classique).
PB : Au sein des Vertébrés, qu’elles sont les relations de parenté ?
Pb1 : Quels sont les critères pour établir des relations de parentés entre les Vertébrés ?
1. Seule l’étude des caractères homologues permet des comparaisons constructives.
a) Les caractères utilisés.
Caractère = élément observable d'un organisme aux différentes échelles du vivant.
Macroscopiques. Cellulaires Moléculaires
Morphologiques : (organisations externe, forme, aspect…)
Exp. : attribut de la peau : poils, plumes, écailles, peau nue.
Anatomiques (organisation interne)
Exp. : forme des membres, position respective des os, des organes.
Constitution de certains tissus, possession de cellules spécifiques.
Etude de molécules fonctionnelles : proteines.
Exp. : Enzymes, hormones hémoglobines…
NB : On étudie Soit la séquence de la protéine : acides aminés.
Soit la séquence de l’ADN du gène codant cette protéine : nucléotides
Embryologiques (Déroulement du développement embryonnaire)
b) Seuls les caractères homologues peuvent être utilisés. (page 20) Bilan Activité 1 :
Caractères macroscopiques.
Le membre antérieur des vertébrés présente une organisation similaire :
- 3 segments osseux articulés (bras, avant-bras, main), constitués de la même manière (1 os : humérus, 2 os : radius, cubitus, 5 rayons osseux avec carpe, métacarpe, phalanges).
- Il est rattaché au squelette par la ceinture scapulaire (« épaules).
- Il se met en place selon les mêmes modalités au cours du développement embryonnaire.
http://www.incertae-sedis.fr/gl/docut336_4_gene_develop_membrespaires.htm
http://syllabus.med.unc.edu/courseware/embryo_images/unit-mslimb/mslimb_htms/mslimb014.htm NB : Les différences qui peuvent être notées proviennent d’une adaptation au mode de vie et de locomotion.
Ces organes sont HOMOLOGUES.
(Homo = « même ») Un caractère est dit homologue chez deux espèces si ce caractère présente - Plan d'organisation similaire
- Une même position dans le plan d'organisation général de l'organisme, - Une même origine embryologique.
L’observation de cette identité suggère que ce caractère est hérité d’un ancêtre commun chez qui ce caractère est apparu.
Par contre une même fonction n'est pas toujours synonyme d'homologie. On parle d'analogie lorsque les caractères assurent des fonctions similaires mais ne sont pas hérités d'un ancêtre commun : l’aile de la libellule permet le vol mais sa constitution, sa position dans l’organisme et son origine embryologique ne correspond pas du tout à celle des vertébrés.
Caractères moléculaires. (Page 24).
On étudie les séquences de molécules ADN ou Protéines présentes chez plusieurs espèces différentes, présentant la même structure et remplissant la même fonction. L’identité dans les séquences étudiées ne peut être le fruit du hasard.
Ces molécules HOMOLOGUES proviennent d’une molécule ancestrale présente chez un ancêtre commun et qui a subi, dans le temps, des mutations qui ont modifiées les séquences.
Notion de molécules homologues
Pour pouvoir dégager la notion de molécules homologues, il faut disposer de séquences alignées.
Exemple: séquences protéiques alignées de myoglobine de quelques Vertébrés (seuls les débuts des séquences de ces molécules sont représentés ici)
Conclusion après analyse: le constat des nombreuses similitudes dans les séquences de ces molécules permet de dire qu'elles doivent avoir une origine commune; on parle alors de molécules homologues. On peut donc en déduire que les organismes qui possèdent ces molécules ont également une origine commune (leur ancêtre commun possédait la molécule à l'origine de toutes celles qui sont observées ici).
Caractères embryologiques. (Page 22/23) Les embryons de
vertébrés présentent, lors des premiers stades de
développement, une grande ressemblance.
Cette observation est favorable à l’idée de l’existence de lien de parenté entre les différentes espèces étudiées.
Au sein même du groupe des vertébrés, on peut établir des « sous groupes » qui partagent un caractère que ne possèdent pas tous les vertébrés : l’amnios. (On pourra réaliser
cette comparaison sur phylogène en choisissant les caractères ayant trait au développement embryonnaire) : annexes embryonnaires de 4 vertébrés
Amnios = enveloppe embryonnaire délimitant une cavité (= la cavité amniotique), contenant un liquide (=le liquide amniotique), nécessaire au développement de l'embryon.
Amniotes = vertébrés possédant un amnios, l'embryon se développe alors de façon indépendante du milieu aquatique, en milieu terrestre, grâce à « l’invention » de la cavité amniotique, véritable petit « aquarium » transportable tout d’abord dans un œuf à coquille = Reptiles, Oiseaux, puis dans l’organisme lui-même = Mammifères.
L’étude du développement embryonnaire permet de retrouver, à l’âge adulte des homologies qui restent indiscernables par l’étude des autres caractères.
c) L’étude de l’état des caractères permet d’évaluer leur évolution. (Activité2/ page 21) - Caractère = élément observable d'un organisme. Ex : couleur des yeux
- Pour un caractère, on peut souvent définir plusieurs états de caractère. Ex : yeux bleus, marrons, verts, noirs : 4 états de caractère différents.
Etat ancestral ou primitif d'un caractère
➞ Etat dérivé d'un caractère
Innovation
évolutive.
Cela traduit le fait que les caractères évoluent, se transforment au cours du temps.
Attention : « ancestral » ici veut dire ancien= primitif mais pas porté par l'ancêtre commun.
Cf doc 2 :
- Il peut exister plusieurs états dérivés différents pour un même caractère primitif : ex.
l’évolution du caractère membre antérieur à 5 doigts peut donner une aile d’oiseau ou de chauve souris.
- La notion de caractère dérivé est relative : la patte à 5 doigts est considérée comme primitive par rapport aux ailes, mais dérivé par rapport à la nageoire.
- Des caractères Primitifs et dérivés peuvent cohabiter chez les espèces actuelles : l’Homme possède une patte à 5 doigts (-) mais un œuf sans réserve (+)
Seul le partage d'états dérivés des caractères témoigne d'une étroite parenté, pas le partage d'un état primitif.
2. L’analyse des caractères homologues permet de construire des arbres phylogénétiques.
a) Le partage des caractères dérivés témoigne d’un ancêtre commun.(Activité 3, pages 26/27)
Phylogénie : relations de parenté évolutive entre les êtres vivants.
Arbre phylogénétique : représente la parenté entre les êtres vivants.
Phylogenèse : reconstitution de l'histoire évolutive des lignées à partir des liens de parenté.
La phylogénie permet de trouver parmi un ensemble d'espèce le groupe-frère (=la ou les espèces les plus apparentées) à une espèce donnée. Elle ne permet de trouver les ancêtres communs à plusieurs espèces.
Principe : Les êtres sont d'autant plus apparentés que leur dernier ancêtre commun est proche dans l'histoire de la vie, qu’ils partagent plus de carctères à l’état dérivé.
Nœud : représente l'ancêtre commun le plus récent des branches qui en découlent.
Extrémité des branches : Les espèces vivantes actuelles ou fossiles, jamais représentées sur une branche ou un nœud.
Branches: liens évolutifs entre l'ancêtre commun et les espèces actuelles ou fossiles Exercice guidé, en cours :
On note 1234567, les caractères étudiés dans le tableau (dans l’ordre). (1 = primitif (0), ❶
= dérivé (1).
1234567Otarie ❶234567Lézard Crocodile❶❷34567 ❶❷❸❹❺❻❼Poule
Ancêtre exclusif Croco/Poule
❶❷34567
❸❹❺❻❼
Ancêtre exclusif Croco/pou/lez
❶234567
❷
Partagent les caractères dérivés❶❷ Partagent le caractère dérivé ❶
Ancêtre exclusif 1234567
❶
Signification de cet arbre. :
- La poule et le crocodile sont les 2 espèces qui partagent le plus de caractères dérivés : ils possèdent tous 2, 2fosses temporales et une fenêtre mandibulaire : ce sont les 2 espèces ayant la parenté la plus étroite, dérivant d’un ancêtre commun exclusif récent (hypothétique) qui possédait lui-même ces 2 caractères, apparus antérieurement.
Les autres caractères dérivés présents chez la poule sont apparus par la suite, par innovation, et ont permis la différenciation de cette espèce.
- Le groupe (poule/crocodile) partage avec le lézard 1 caractère dérivé : la présence de deux fosses temporales. Donc, l’ancêtre commun de ce groupe possède un ancêtre commun exclusif plus ancien avec le lézard. Cet ancêtre hypothètique possédait ce caractère dérivé, apparu antérieurement. L’apparition de la fenêtre mandibulaire s’est réalisée postérieurement.
- Le groupe (poule/crocodile/lézard) ne partage aucun caractère dérivé avec l’otarie, leur ancêtre commun est donc très ancien.
Correction exercice 1 dans la rubrique « correction ».
On veut préciser les parentés établies précédemment (crocodile, poule) avec des animaux fossiles.
b) Les fossiles nous aident à préciser, dans le temps, l’apparition des caractères dérivés.
(Page 28)
On cherche à retrouver la phylogénie d’un animal fossile :l’archéoptéryx, par rapport à des groupes actuels et fossiles
On précise : Archéopteryx
http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/zoologie-1/d/larcheopteryx_217/c3/221/p1/
N° Caractère crocodile Dinosaure Archéop. Poule
1 Fosse temporale 1 1 1 1
2 Fenêtre mandibulaire 1 1 1 1
3 Doigts d’appui du pied 0 1 1 1
4 Plumes 0 0 1 1
5 Queue 0 0 0 1
6 Dents 0 0 0 1
7 Bréchet 0 0 0 1
8 Fourchette (clavicules soudées) 0 0 1 1
Ainsi, connaissant la datation d’un fossile, on peut évaluer, s’il le possède, la date (relative) d’apparition d’une innovation.
Les informations apportées par les fosiles permettent de préciser les liens de parenté.
ICI : un nouveau dinosaure à plumes plus ancien que l’archéoptéryx : http://www.futura- sciences.com/fr/news/t/paleontologie/d/un-dinosaure-a-plumes-plus-vieux-que-larcheopteryx_17185/
Remarques
- Les ancêtres communs représentés sur les arbres phylogénétiques sont hypothétiques, définis par l'ensemble des caractères dérivés partagés par des espèces qui leur sont postérieures ; ils ne correspondent pas à des espèces fossiles précises.
- Une espèce fossile ne peut être considérée comme la forme ancestrale à partir de laquelle se sont différenciées les espèces postérieures. Le fossile est une lignée évolutive éteinte exp : archéoptéryx.
- L'expression " fossile vivant " est à exclure. Il s’agit d’espèces inchangées au cours des temps géologiques.
3. Utilisation des données moléculaires. (Activité 4, pages 24/25)
Les techniques récentes de séquençage permettent d'établir la séquence d'acides aminés de protéines ou celle de nucléotides d'acides nucléiques (ADN ou ARN): il est donc possible de comparer très précisément une molécule assurant une même fonction chez différentes espèces.
On constate alors une grande similitude, qui ne peut être due au hasard, entre leurs séquences. On les qualifie ainsi de molécules homologues, c'est-à-dire qu'elles ont été héritées d'un ancêtre commun.
Les différences qui apparaissent résultent de mutations survenues chez un ancêtre et qui ont été transmises à ses descendants.
La possession de gènes communs (= protéines communes) permet de proposer des relations de parenté.
Méthode :
Comparaison de 2 séquences nucléotidiques (ou peptidiques) : on compte le nombre de nucléotides (acides aminés) différents entre les 2 séquences.
On admet que la vitesse d'évolution des molécules (=horloge moléculaire) est identique pour toutes les lignées.
Donc le nombre de différences observées entre 2 séquences est proportionnel au temps écoulé depuis que ses 2 espèces se sont séparées.
Donc le degré de similitude renseigne sur le degré de parenté.
On construira ainsi un arbre phylogénétique. Les molécules (ADN ou peptide / protéines)
Poule
❶❷❸❹❺❻❼❽ Crocodile
❶❷345678 archéoptéryx
❶❷❸❹567❽ Dinosaure
❶❷❸45678
Disparition des dents❻ et de la queue❺ et apparition du brechet ❼ Apparition
des plumes ❹ de la
fourchette ❽ Réduction du
nombre de doigts en appui ❸ Apparition fosse
temporale ❶ et fenêtre mandibulaire❷
hérités d'un ancêtre commun sont dites homologues.
Exemple de matrice des différences pour les molécules considérées précédemment (la matrice présentée ici a été établie à partir de l'alignement des molécules entières de myoglobine) : (on préférera raisonner sur des % d’identités)
Attention : On ne parle pas d'état primitif ou d'état dérivé, ici.
Résultat :
- Le minimum de différence (= maximum de similitudes) = entre Homme et chimpanzé = 1.
Cela signifie que les séquences de la myoglobine de ces 2 espèces sont très proches, l’ancêtre commun dont elles l’ont hérité est récent (peu de temps s’est écoulé entre l’apparition de cet ancêtre et l’apparition de ces espèces)
- Puis 21, 20 (20,5 en moyenne) différences entre le groupe <Homme/Chimpanzé> et le Dauphin.
Cela signifie que l’ancêtre commun de l’Homme et du chimpanzé possède un ancêtre commun récent avec le dauphin.
- Etc.…
On peut ainsi construire un arbre phylogénétique.
NB : Ne pas tenir compte des chiffres notés sur les branches de l’arbre.
4. Un résultat : La Classification phylogénétique des Vertébrés
: Classification phylogénétique des Vertébrés (voir livre p 27 doc 2 et page 28 doc1) Arbre très simplifié
Un groupe monophylétique comprend toutes les espèces issues d'un ancêtre possédant l'état du dérivé caractère (y compris cet ancêtre). Les Vertébrés sont un groupe monophylétiques. Les reptiles dans la classification classique des Vertébrés ne sont pas monophylétiques. Les oiseaux feraient partie des reptiles.
Plus complexe : obtenu par phylogéne :
Les vertébrés regroupent les animaux présentant un squelette interne organisé autour d’une colonne vertébrale.
Les gnatostomes sont les vertébrés munis d’une mâchoire, par opposition aux agnates (5). Ils sont constitués des ostéichtyens (squelette osseux) et des chondrichtyens (squelette cartilagineux).
Parmi les ostéichtyens, on distingue les actinoptérygiens (6)(nageoire rayonnée et pièces basales nombreuses) et les sarcoptérygiens (pièce basale unique).
On y différencie les tétrapodes (4 membres locomoteurs) et des poissons à nageoires charnues.
Les tétrapodes regroupent les amniotes (embryon se développant dans une cavité amniotique)et amphibiens.
Les amniotes comprennent les sauropsidés (fenêtre
mandibulaire et antéorbitaire) et mammifères (allaitement des jeunes)
Les sauropsidés réunissent les chéloniens (anapsides = sans fosses temporales )(1)(tortues) et les diapsides (2 fosses temporales) qui regroupent les lépidosauriens (9)(lézards et serpents) et les archosauriens =crocodiliens +
dinosaures et oiseaux (7).
Les mammifères (synapsides) réunissent les monotrèmes (ponte d’œufs et petits allaités) et les placentaires (10)
Conclusion :
Cette méthode est une méthode approchée de celles des chercheurs : méthode très exigeante.
Elle aboutit à la Classification Phylogénétique du Vivant.
Il reste des indéterminations, et quelquefois plusieurs hypothèses possibles en fonction des caractères étudiés et des méthodes utilisées. On privilégie les hypothèses les plus simples et les plus plausibles.
Ces classifications évoluent en fonction des découvertes réalisées , elles différent souvent de la classification classique héritée de Linné :
http://www.snv.jussieu.fr/vie/dossiers/evolution/classification/index.htm
Cette nouvelle approche de la classification du vivant a bouleversé notre vision du monde vivant qui nous entoure dans de notre propre position.
« arbre » simplifié du vivant et ….plus complexe :
PB : Quelle est la place de l’Homme dans cette classification?
