EVOLUTION ET CLASSIFICATION DU VIVANT

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1 Complément de connaissances EVOLUTION ET CLASSIFICATION DU VIVANT Question 1 Nutrition des êtres vivants Les animaux sont hétérotrophes : ils sont dépendants d'une ou plusieurs autres espèces pour leur nourriture. Les aliments sont transformés en nutriments par la digestion. Les aliments des animaux peuvent être d origine animale, végétale et minérale. Chaque espèce a un régime alimentaire particulier et, par-là même, ses organes se sont adaptés, au cours de l évolution, à son milieu de vie. Pour les animaux on parle de digestion et d excrétion. Chez les vertébrés, la fonction de nutrition regroupe l'ensemble des fonctions permettant le fonctionnement énergétique cellulaire : donc apport de nutriments et O2 à la cellule (alimentation, digestion, absorption intestinale, ventilation/respiration pulmonaire, circulation) puis élimination des déchets (circulation, ventilation pulmonaire). Les végétaux verts (chlorophylliens) sont autotrophes, ils synthétisent leurs propres composants organiques. Ils ont besoin d eau, de substances minérales existant dans le sol ou qui peuvent être apportés par des engrais, et de lumière (et du dioxyde de carbone de l air : voir ci-après). Les végétaux qui ont des racines puisent l eau et les substances minérales dans la terre. Ils captent la lumière et le dioxyde de carbone par les feuilles. L eau circule dans les racines, les rameaux et les tiges. Les végétaux aériens perdent de l eau au niveau des feuilles. En agriculture, l utilisation des engrais constitue un apport supplémentaire de substances minérales dans le but d augmenter les rendements. La respiration se manifeste par un échange de gaz entre un être vivant et son milieu. La plupart des êtres vivants absorbent le dioxygène contenu dans l air ou dissous dans l eau (leurs organes en ont besoin) et rejettent du dioxyde de carbone (gaz carbonique) issu du métabolisme. Dans la cellule végétale, cette respiration cellulaire est couplée avec la photosynthèse (on parle alors de photorespiration). Ainsi, de jour comme de nuit, les végétaux verts respirent (absorption d oxygène et rejet de dioxyde de carbone), mais à la lumière cette respiration est masquée par la photosynthèse : pour fabriquer leur propre matière organique, ils prélèvent le dioxyde de carbone (gaz carbonique) de l air et rejettent du dioxygène. Chez les animaux vertébrés, les échanges de gaz ont lieu au niveau d organes particuliers : poumons, branchies... Chez l homme, l entrée de l air lors de mouvements respiratoires (inspiration) et sa sortie (expiration) se font par le nez ou la bouche. Attention la respiration n est pas que le ventilateur pulmonaire observable : l oxygène nécessaire à la vie Frédéric Bourasseau Afadec Droits de reproduction réservés 1

2 est transporté par le sang des poumons jusqu aux organes et le dioxyde de carbone fabriqué est transporté des organes aux poumons pour être rejeté. Propulsé par le coeur, le sang circule dans les vaisseaux en sens unique et permet des échanges entre tous les organes. Reproduction des êtres vivants Dans certaines espèces animales, le jeune trouve dans l oeuf pondu par la femelle dans le milieu extérieur tout ce qui est nécessaire à son développement : c est un développement ovipare. Après l éclosion, les oeufs libèrent soit une larve, soit un jeune qui ressemble à l adulte. Dans d autres espèces, le développement se fait à l intérieur du corps de la femelle qui satisfait à la nutrition : c est le développement vivipare. Les végétaux à fleurs proviennent la plupart du temps d une graine obtenue par reproduction sexuée. La graine est contenue dans le fruit ; ceux-ci proviennent de la transformation de la fleur ou d un ensemble de fleurs. Une reproduction asexuée existe aussi chez certains végétaux, elle se fait à partir d un fragment de végétal (boutures, marcottes, bulbes, tubercules ) : c est un clonage naturel. Ce phénomène est beaucoup plus rare mais existe chez les animaux. Chez les végétaux, il existe des plantes annuelles, bisannuelles, vivaces. Les arbres ont une croissance qui se poursuit toute leur vie ; elle peut être discontinue, saisonnière dans les zones à saisons marquées. Chez les végétaux à fleurs, au cours de la germination, la plantule contenue dans la graine se développe en utilisant les réserves de nourriture également contenues dans cette graine. Chez l animal et chez l homme adultes, la croissance s arrête autour de la maturité sexuelle. Au cours de leur développement, certains animaux passent par le stade de larve, le passage à l état adulte s appelle la métamorphose (exemple : les insectes). À sa naissance, le jeune animal a une autonomie de vie qui varie en fonction de l espèce et du milieu. Frédéric Bourasseau Afadec Droits de reproduction réservés 2

3 Question 2 Le corps de Sinosauropteryx, du sommet du crâne à la queue, était probablement recouvert d une crête de plumes de 4 cm de haut. Ces protoplumes ne servaient pas à voler mais plutôt à se camoufler, à parader ou à se protéger du froid. Les plumes ont précédé l'origine des oiseaux et du vol. L'idée que «plumes implique vol» est à remplacer par d'autres utilités indépendantes du vol. Après tout, les chauves-souris, les ptérosaures, les papillons volent bien sans plumes! En observant le comportement des oiseaux actuels on se rend compte des rôles fondamentaux des plumes (caractères spécifiques (voler, hydrofuges, etc), caractères sexuels secondaires, isolant thermique), qui sont, eux, toujours utilisés même chez les oiseaux qui ne volent pas comme les autruches, casoars, émeus... Le Sinosauropteryx est un théropode (sous-ordre de dinausores saurischiens, qui étaient présents sur l'ensemble de la planète pendant toute la période du Mésozoïque, et étaient généralement bipèdes et carnivores. Il était de la taille d un poulet et avait une longue queue, des avant-bras courts et épais avec une main très fonctionnelle. C était certainement un prédateur efficace : on a retrouvé un lézard et un petit mammifère dans des restes fossilisés de contenu stomacal. Il est probable que les oiseaux actuels soient les descendants des théropodes préhistoriques : les os du bassin et des membres inférieurs sont similaires à ceux des oiseaux, possédant quatre orteils griffus dont un ergot). Pour la première fois, des œufs ont été trouvés dans le corps d un dinosaure femelle. La répartition des œufs fossilisés laisse envisager la présence de deux oviductes de type reptilien plutôt que l oviducte unique des oiseaux. Etant donné ses caractéristiques qui le rapprochent des oiseaux, ce dinosaure a été classé dans un ordre à part : les Sinosauropterygiformes. Frédéric Bourasseau Afadec Droits de reproduction réservés 3

4 Question 3 : A) Classification phylogénétique des espèces Quelques repères sur la classification du vivant, issus de l ouvrage : «Comprendre et enseigner la classification du vivant», G.LECOINTRE - Guide BELIN de l enseignement. C est l entomologiste allemand Willi Hennig qui a mis au point les méthodes de la systématique phylogénétique, qui restent celles utilisées de nos jours par les chercheurs pour élaborer une classification phylogénétique unique et naturelle du vivant. (réf.36) Les programmes (réf.p.13) Dès l école primaire, dans le cadre des programmes publiés en 2002 et 2008, classer quelques animaux et végétaux en fonction de critères est une compétence attendue en fin de cycle 2. Au cours de ce cycle, les élèves découvrent la diversité et l unité du vivant et sont invités à mettre en évidence des similitudes et des différences entre les espèces, sans que la notion d espèce soit à proprement parler définie. A l issue du cycle 3, c est l évolution du vivant qui est abordée. Le concept d évolution est présenté en liaison étroite avec celui de la classification, qui doit être réactivée à cette occasion. On classe toujours un échantillon d espèces (réf. p.30) Comprendre la méthode de Hennig, c est tout d abord admettre qu on ne classe jamais l ensemble du vivant d un coup : on travail toujours sur un échantillon soigneusement défini d espèces. La classification scientifique à l école (réf. p.64-65) La science des classifications est la systématique. Sa première tâche est l identification, la description, l inventaire des êtres vivants dans la nature présente et passée. Sa seconde tâche est de proposer une classification qui permettra de rendre intelligible l immense diversité du vivant. A l école primaire, ces deux tâches vont rejoindre deux axes de travail déterminés par les programmes : observer, décrire, nommer puis classer des êtres vivants. Seuls les caractères d ordre anatomique, essentiellement externes, vont être pris en compte. Seront regroupés dans un même ensemble les organismes partageant les mêmes attributs morphologiques. On postule que ce que possèdent en commun les espèces d une collection donnée (ce qu ils ont, les attributs qu ils partagent) leur a été transmis par voie héréditaire par un ancêtre commun. La relation de parenté qui est recherchée est d ordre phylogénétique et répond à la question Frédéric Bourasseau Afadec Droits de reproduction réservés 4

5 «qui est plus proche de qui?». Elle se distingue d une relation d ordre généalogique qui, elle, répond à la question «qui vient de qui?» ou «qui descend de qui?» et à laquelle on ne peut répondre, faute de pouvoir explorer physiquement le passé. A l école primaire, la distinction entre phylogénie et généalogie s opère, sans que «phylogénie» ait à être utilisé, à partir du fait que, ne pouvant consulter un état civil des animaux qui permettrait de savoir «qui descend de qui?», nous ne pouvons que nous en tenir à la recherche de «qui est plus proche de qui?». Poser des bases pour les apprentissages futurs (réf. p. 67) Ce qu il est important d enseigner n est pas le résultat final de la classification mais les principes qui la sous-tendent. Où sont nos anciens groupes? (réf. p.52) La révolution des classifications phylogénétiques a confirmé l existence de beaucoup de groupes que les scientifiques avaient déjà identifiés auparavant : mammifères, oiseaux, amphibiens, vertébrés, insectes, plantes à fleurs... Cependant, certains de nos anciens groupes familiers ont disparu de la classification phylogénétique soit parce qu ils constituaient des groupes définis négativement (en rapport à ce qu ils n ont pas), soit parce qu ils étaient trop hétérogènes : invertébrés, poissons, reptiles... Les nouvelles classifications (réf. p.65-66) Dans les nouvelles classifications, certains groupes anciens sont maintenus (mammifères, oiseaux, vertébrés, etc.). D autres disparaissent comme celui : - des «invertébrés» : y étaient regroupés des organismes qui n ont pas de vertèbres, joignant dans un même groupe les méduses, les insectes, les vers de terre ou les étoiles de mer, qui ne partagent aucun caractère commun exclusif. - des «poissons», qui regroupait tous les vertébrés aquatiques ne possédant pas de pattes. Or la truite est plus proche du chimpanzé que d une raie ou d un requin, car truite et chimpanzé ont un squelette osseux que n ont pas les deux autres, qui ont un squelette cartilagineux. B) Lien entre classification phylogénétique et l évolution Les fossiles constituent des traces de la vie d autrefois, le plus souvent «préhistoriques». Ce sont des traces d animaux ou de végétaux qui existaient à l époque de la formation de la roche qui les contient. Les fossiles permettent de reconstituer de grandes étapes de l histoire de la Terre, de constater l apparition et la disparition de certaines espèces animales et végétales. Frédéric Bourasseau Afadec Droits de reproduction réservés 5

6 Chronologie d apparition des principales familles d êtres vivants ( ) Les différentes espèces de dinosaures sont apparues il y a environ 250 millions d années et ont disparu il y a 65 millions d années. L hominisation correspond à une évolution biologique et culturelle (station debout, bipédie, augmentation de volume du cerveau, fabrication d outils, maîtrise du feu, vie sociale, culte des morts, arts...). La théorie de l évolution est une théorie scientifique en évolution La théorie de l évolution est la seule explication scientifique permettant de comprendre la diversité actuelle et passée des êtres vivants, mais aussi l unité du monde vivant. L analyse des faits, sans en occulter aucun, conduit à l idée que les êtres vivants ont connu des transformations successives au fil du temps et sont tous apparentés à différents degrés. Elle permet d expliquer les ressemblances et les différences entre les êtres vivants. La théorie de l évolution n est pas un discours figé. Les travaux se poursuivent et affinent, précisent les résultats antérieurs et en proposent de nouveaux. Près de 150 ans de travaux scientifiques n ont pas invalidé l idée d évolution, mais ils en ont détaillé, confirmé et enrichi de nombreux aspects. S agissant d une théorie scientifique, il est possible qu elle soit un jour invalidée, comme le furent d autres théories scientifiques, mais ce ne peut être que par des découvertes susceptibles de la réfuter, c'est-à-dire par de nouvelles preuves scientifiques, qui devront être en mesure de balayer ou reconsidérer 150 années de découvertes convergeant toutes dans le même sens. Frédéric Bourasseau Afadec Droits de reproduction réservés 6

7 Question 4 : EXERCICE DE CLASSIFICATION Autre exemple liant classification et évolution : «Comment expliquer que la souris et le loup ont un même caractère commun : des poils?» C est comme se questionner sur les caractères que des humains ont eux-mêmes : «Comment expliquer que Joey a la peau noire et Alex la peau blanche?» Ce sont leurs parents possédant ces caractères qui les leur ont transmis. Ils les tenaient de leurs grandsparents qui les tenaient eux-mêmes d ancêtres encore plus éloignés. Est-ce qu on peut en conclure que la souris et le loup qui ont le même caractère «poils» ont les mêmes parents? Pas au sens de père et mère bien sûr, mais ils ont un ancêtre commun A1 qui avait des poils (caractère C1 ). La souris et le loup ne sont pas «frères» mais ils sont «cousins», ils sont apparentés. Si on pouvait remonter encore le temps, on trouverait un ancêtre commun A2 que partagent la souris et le loup avec, par exemple, le merle et qui avait 4 membres (que ce soit des ailes ou des pattes) : caractère C2. Tous les mammifères, espèces actuelles et disparues, ont donc un même ancêtre A1 ayant le caractère C1 «poils». Toutes les espèces de tétrapodes actuelles ou disparues sont issues d un ancêtre commun A2. Dans la classification moderne, tout groupe doit être constitué de tous les descendants d un même ancêtre commun. L arbre des relations de parenté, c est-à-dire la phylogénie des espèces de l échantillon, permet de retrouver la parenté et le caractère transmis par l ancêtre commun et aussi le déroulement historique de l évolution des espèces. Les points de Frédéric Bourasseau Afadec Droits de reproduction réservés 7

8 rencontre entre les branches représentent les ancêtres communs entre espèces ainsi que la présence de caractères transmis par ces ancêtres. On peut continuer à remonter le temps et trouver un ancêtre commun aux 4 animaux de l échantillon. Cet ancêtre A3 avait le caractère C3 «colonne vertébrale» qui est exclusif aux vertébrés. Frédéric Bourasseau Afadec Droits de reproduction réservés 8