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) (=unitéstructurale et fonctionnelle du vivant),- Leur information génétique (http://www.inra.fr/genomique/ogmbd/infogenetique.htm) estconstituée d'ADN (Acide Désoxyribo Nucléique),- Les mécanismes assurant le maintient du caryotype et des caractères d’une génération à lasuivante 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, maiscomment expliquer la diversité du monde vivant au sein de ce cadre d’unité ?

La diversité du monde vivant résulte de l'évolution :Ensemble des mécanismesresponsables 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 etengendrant des individus eux-mêmes féconds.Il peut exister des hybridations, entre espèces (proches) différentes (âne-cheval, lion-tigre…) Mais lesindividus 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 MoléculairesMorphologiques :(organisations externe,forme, aspect…) Exp. : attribut de la peau :poils, plumes, écailles,peau nue.Anatomiques (organisationinterne) Exp. : forme des membres,position respective des os,des organes.

Constitution de certainstissus, possession decellules spécifiques.

Etude de moléculesfonctionnelles : proteines. Exp. : Enzymes, hormoneshémoglobines…

NB : On étudie Soit laséquence de la protéine :acides aminés. Soit la séquence de l’ADN dugène codant cette protéine  :nucléotides

Embryologiques(Déroulement dudéveloppementembryonnaire)

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.htmhttp://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 delocomotion.

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 chezqui ce caractère est apparu.

Par contre une même fonction n'est pas toujours synonyme d'homologie. On parled'analogie lorsque les caractères assurent des fonctions similaires mais ne sont pas hérités d'unancêtre commun : l’aile de la libellule permet le vol mais sa constitution, sa position dansl’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’identitédans les séquences étudiées ne peut être le fruit du hasard.

Ces molécules HOMOLOGUES proviennent d’une molécule ancestrale présente chez unancêtre commun et qui a subi, dans le temps, des mutations qui ont modifiées les séquences.

Notion de molécules homologuesPour 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 deces molécules permet de dire qu'elles doivent avoir une origine commune; on parle alors demolécules homologues. On peut donc en déduire que les organismes qui possèdent cesmolécules ont également une origine commune (leur ancêtre commun possédait la molécule àl'origine de toutes celles qui sont observées ici).

Caractères embryologiques. (Page 22/23)Les embryons devertébrés présentent,lors des premiersstades dedéveloppement, unegrande ressemblance.Cette observation estfavorable à l’idée del’existence de lien deparenté entre lesdifférentes espècesétudiées.

Au sein même du groupe des vertébrés, on peut établir des « sous groupes » quipartagent 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 développementembryonnaire) : annexes embryonnaires de 4 vertébrés

Amnios = enveloppe embryonnaire délimitant une cavité (= la cavité amniotique), contenant unliquide (=le liquide amniotique), nécessaire au développement de l'embryon.Amniotes = vertébrés possédant un amnios, l'embryon se développe alors de façonindépendante du milieu aquatique, en milieu terrestre, grâce à « l’invention » de la cavitéamniotique, 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 deshomologies 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'uncaractère

➞Etat dérivé d'un caractère

Innovationévolutive.

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 dechauve souris.

- La notion de caractère dérivé est relative : la patte à 5 doigts est considérée commeprimitive par rapport aux ailes, mais dérivé par rapport à la nageoire.

- Des caractères Primitifs et dérivés peuvent cohabiter chez les espèces actuelles : l’Hommepossède 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 partaged'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, pages26/27)

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 lesespèces les plus apparentées) à une espèce donnée. Elle ne permet de trouver les ancêtrescommuns à plusieurs espèces.

Principe : Les êtres sont d'autant plus apparentés que leur dernier ancêtre commun est prochedans 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 unebranche 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).

 Otarie

1234567Crocodile❶❷34567

Poule❶❷❸❹❺❻❼

Lézard❶234567

Ancêtre exclusifCroco/Poule❶❷34567

❸❹❺❻❼

Ancêtre exclusifCroco/pou/lez

❶234567

❷

Partagent les caractères dérivés❶❷

Partagent le caractère dérivé ❶

Ancêtre exclusif1234567

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 ayantla 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, parinnovation, 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 communexclusif plus ancien avec le lézard. Cet ancêtre hypothètique possédait ce caractèredérivé, apparu antérieurement. L’apparition de la fenêtre mandibulaire s’est réaliséepostérieurement.

- Le groupe (poule/crocodile/lézard) ne partage aucun caractère dérivé avec l’otarie, leurancêtre 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, parrapport à des groupes actuels et fossilesOn précise :

Archéopteryx http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/zoologie-1/d/larcheopteryx_217/c3/221/p1/

N° Caractère crocodile Dinosaure Archéop. Poule1 Fosse temporale 1 1 1 12 Fenêtre mandibulaire 1 1 1 13 Doigts d’appui du pied 0 1 1 14 Plumes 0 0 1 15 Queue 0 0 0 16 Dents 0 0 0 17 Bréchet 0 0 0 18 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 sontpostérieures ; ils ne correspondent pas à des espèces fossiles précises.

- Une espèce fossile ne peut être considérée comme la forme ancestrale à partir de laquellese sont différenciées les espèces postérieures. Le fossile est une lignée évolutive éteinteexp : archéoptéryx.

- L'expression " fossile vivant " est à exclure. Il s’agit d’espèces inchangées au cours destemps géologiques.

3. Utilisation des données moléculaires. (Activité 4, pages 24/25)

Les techniques récentes de séquençage permettent d'établir la séquence d'acidesaminés de protéines ou celle de nucléotides d'acides nucléiques (ADN ou ARN): il est doncpossible de comparer très précisément une molécule assurant une même fonction chezdifférentes espèces.

On constate alors une grande similitude, qui ne peut être due au hasard, entre leursséquences. On les qualifie ainsi de molécules homologues, c'est-à-dire qu'elles ont été héritéesd'un ancêtre commun.

Les différences qui apparaissent résultent de mutations survenues chez un ancêtre etqui ont été transmises à ses descendants.

La possession de gènes communs (= protéines communes) permet de proposer desrelations de parenté.

Méthode :

Comparaison de 2 séquences nucléotidiques (ou peptidiques) : on compte le nombre denucléotides (acides aminés) différents entre les 2 séquences.

On admet que la vitesse d'évolution des molécules (=horloge moléculaire) est identiquepour toutes les lignées.

Donc le nombre de différences observées entre 2 séquences est proportionnel au tempsécoulé 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)

Poule❶❷❸❹❺❻❼❽

Crocodile❶❷345678

archéoptéryx❶❷❸❹567❽

Dinosaure❶❷❸45678

Disparitiondes dents❻ etde la queue❺et apparitiondu brechet ❼

Apparitiondes plumes ❹de lafourchette ❽

Réduction dunombre dedoigts enappui ❸

Apparition fossetemporale ❶ etfenêtremandibulaire❷

hérités d'un ancêtre commun sont dites homologues.

Exemple de matrice des différences pour les molécules considérées précédemment (lamatrice 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’apparitionde cet ancêtre et l’apparition de ces espèces)- Puis 21, 20 (20,5 en moyenne) différences entre le groupe <Homme/Chimpanzé> et leDauphin.

Cela signifie que l’ancêtre commun de l’Homme et du chimpanzé possède un ancêtrecommun 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 groupemonophylétiques. Les reptiles dans la classification classique des Vertébrés ne sont pasmonophylétiques. Les oiseaux feraient partie des reptiles.

Plus complexe : obtenu par phylogéne :Les vertébrés regroupent lesanimaux présentant unsquelette interne organiséautour d’une colonnevertébrale.Les gnatostomes sont lesvertébrés munis d’unemâchoire, par opposition auxagnates (5). Ils sont constituésdes ostéichtyens (squeletteosseux) et des chondrichtyens(squelette cartilagineux).Parmi les ostéichtyens, ondistingue les actinoptérygiens(6)(nageoire rayonnée etpièces basales nombreuses) etles sarcoptérygiens (piècebasale unique).On y différencie les tétrapodes(4 membres locomoteurs) etdes poissons à nageoirescharnues.Les tétrapodes regroupent lesamniotes (embryon sedéveloppant dans une cavitéamniotique)et amphibiens.Les amniotes comprennent lessauropsidés (fenêtremandibulaire et antéorbitaire)et mammifères (allaitementdes jeunes)

Les sauropsidés réunissent les chéloniens (anapsides = sans fosses temporales )(1)(tortues) et les diapsides (2 fossestemporales) 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 descaractères étudiés et des méthodes utilisées. On privilégie les hypothèses les plus simples et lesplus plausibles.Ces classifications évoluent en fonction des découvertes réalisées , elles différent souvent de laclassification 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 mondevivant 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?