Chapitre 5 : LES MECANISMES DE L EVOLUTION

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1 Chapitre 5 : LES MECANISMES DE L EVOLUTION Réflexions par rapport aux chapitres 1 et 2 : - Une cellule procaryote typique possède environ 3000 gènes dans son ADN, tandis qu une cellule humaine en possède environ Environ 1000 de ces gènes sont présents dans les deux types de cellules. Comment des organismes aussi différents peuvent avoir des gènes en commun? - Les éléments qui composent naturellement le corps humain se trouvent dans les mêmes pourcentages dans les autres organismes. - Bien que leur structure puisse être considérablement différente, les cellules ont des similitudes qui révèlent une certaine unité au cours de l évolution. I) La formation de la Terre A) L origine du système solaire Cf. diapositive 2 Il y a environ 15 milliards d'années notre univers est né d'une formidable explosion, le big bang. Du néant a surgi une énorme concentration d'énergie, en quelques secondes la matière est née. A son origine notre univers était tout petit et très chaud : des milliards de degrés. Après l'explosion la matière s'est dispersée, l'univers a commencé son expansion, sa température a baissé, les premiers atomes se sont formés, toutes ces conditions ont permis la naissance des étoiles. Sous l'effet de la gravitation, les nuages de gaz et de poussières cosmiques (nébuleuse) se contractent formant des étoiles assemblées en galaxies, qui elles-mêmes se regroupent en amas. Notre galaxie, la voie lactée, est constituée de milliards d'étoiles dont certaines comme le soleil sont accompagnées de planètes. Le système solaire est né il y a environ 5 milliards d'années de la contraction d'un nuage de gaz et de poussières qui tournait sur lui-même. Sous l'effet de la rotation, cette nébuleuse s'est aplatie, la vitesse étant plus rapide au centre, un noyau s'est formé : le soleil. Dans le reste de la nébuleuse, la condensation s'est poursuivie formant les planètes. B) La formation de la Terre A ses débuts, il y a 4,5 milliards d'années, la Terre est une sphère de poussières et de débris cosmiques qui s'agglomèrent, les éléments les plus lourds se tassent au centre, les moins denses à la périphérie. La Terre dans l Univers : diapositives 3 à 5. Cf. diapositive 6 Sous l'effet de sa masse, le cœur de la Terre sous pression se met à chauffer, puis va commencer la libération de la chaleur emmagasinée lors de l'accrétion et de celle produite par la désintégration des éléments radioactifs. La structure de la Terre va s'organiser en trois couches concentriques, le noyau au centre puis le manteau et enfin la croûte. Entre -4,5 et -4 milliards d'années, la croûte en formation n'est que laves et volcans. Par endroit les parties refroidies forment de minces pellicules solides qui craquent très vite pour laisser la place à des lacs de laves. En devenant solides des roches forment des radeaux qui voguent sur la matière en fusion avant d'être engloutis. Pendant cette période la Terre est bombardée de météorites qui criblent sa jeune surface. C) La naissance de l'océan 1/6

2 La jeune Terre continue à disperser sa chaleur, les myriades de volcans vomissent des gaz. Dans l'atmosphère primitive l'eau existe déjà mais il fait si chaud qu'elle est sous forme de gaz. Il y a 4 milliards d'années, la température de l'atmosphère s'abaisse à moins de 100 C, l'eau peut alors se condenser, elle quitte la phase gazeuse pour s'abattre sur le sol en déluge. Mais pendant des milliers d'années la température du sol est telle que l'eau tombée se vaporise immédiatement, remonte dans l'atmosphère puis en se refroidissant se condense à nouveau et retombe en pluie... Puis la surface de la Terre devient suffisamment froide, l'eau qui ruisselle sur les reliefs s'accumule dans les creux de la jeune croûte d'abord en mares, puis en lacs et enfin en mers et océans. La Terre a été un enfer brûlant rouge et noir, la voici devenue grâce au miracle de l'eau la douce et tiède planète bleue. L'océan est né, la vie n'a plus qu'à s'y installer. Cf. diapositive 7 Les océans n'ont pas toujours eu leur aspect actuel; tantôt unique, tantôt fractionnée, la surface océanique est en continuelle évolution. Au cours du temps les plaques lithosphériques se sont déplacées entraînant dans leurs mouvements les continents qui sont les parties émergées de ces plaques et qui ont ainsi dérivé à la surface du globe. II) L'apparition de la vie A) L atmosphère terrestre Durant les 100 premiers millions d'années de la vie de la Terre s'est formée une atmosphère primitive. Sa composition résulte du volcanisme intense qui a permis le dégazage, elle est très riche en vapeur d'eau et dioxyde de carbone et dépourvue d'oxygène. Grâce aux pluies ininterrompues, l'atmosphère a été débarrassée du dioxyde de carbone qui mélangé à l'eau a réagi avec les roches des premiers continents en extrayant le calcium pour donner du calcaire qui a formé des couches de sédiments dans les océans. L'effet de serre a ainsi été évité. L'eau de l'océan primitif devait être chargée d'acides capturés par les pluies dans l'atmosphère mais peu à peu en réagissant avec les roches, les acides ont disparu laissant un milieu aquatique propice à la vie. B) La synthèse des composés organiques Cf. diapositive 8 Pendant des millions d'années des séries de réactions chimiques de plus en plus complexes ont préparé l'émergence de la vie. L'énergie dégagée par les volcans, les éclairs des orages, les rayonnements ultraviolets ont agi sur les composés de l'atmosphère qui ont donné des molécules simples (acides aminés et nucléotides) qui se sont accumulées dans l'océan formant la "soupe primitive" où la vie est née. La constitution de ce mélange de molécules organiques et minérales que fut la "soupe primitive" a été la première étape vers la vie (synthèse abiotique). Des composés moléculaires nouveaux se créèrent puis se complexifièrent à la suite de très longues séries d'événements (fusion des monomères en protéines et acides nucléiques). On pense qu'avant l'apparition des vivants, l'océan primitif fut peuplé d'une multitude de "petits corps" doués de capacités chimiques particulières qui prélevaient et incorporaient des molécules et de l'énergie à leur substance ce qui leur permettait d'exister un certain temps avant de disparaître. Plutôt que dans l atmosphère, les premiers composés organiques pourraient avoir été synthétisés près des volcans submergés et des sources hydrothermales, c'est-à-dire des ouvertures de la croûte terrestre qui crachent de l eau chaude et des minéraux dans les océans. Ces environnements comptent parmi les plus hostiles où on trouve aujourd hui des organismes vivants, et certains chercheurs pensent qu ils pourraient avoir constitué le berceau de la vie. 2/6

3 Une autre hypothèse serait que l origine de la vie est de source extraterrestre (acides aminés dans des météorites vieilles de 4,5 milliards d années). C) L apparition de la vie Cf. diapositive 9 Les premiers organismes vivants sont probablement les protobiontes (gouttelettes dotées d une membrane maintenant les différences chimiques entre l intérieur et l extérieur) qui avaient acquis l'autonomie végétative (en dégradant ou recyclant des molécules) et reproductrice (en se divisant). C'est à environ -3,5 milliards d'années que remontent les premières traces d'êtres vivants rudimentaires. Le début de l'évolution est marqué par l'apparition, dans des eaux tièdes et peu profondes, d'algues bleues microscopiques (procaryotes). Le jour, ces algues pour se nourrir, utilisent du dioxyde de carbone et rejettent du dioxygène (photosynthèse); la nuit, elles piègent et agglutinent des grains minéraux, des particules de calcaires précipitent et forment des couches superposées. Ces constructions calcaires sont appelées stromatolithes (tapis de pierre). Le dioxygène dégagé dans la mer par les organismes va s'accumuler progressivement dans l'atmosphère contribuant à la formation de la couche d'ozone protectrice. Vers -2,1 milliards d'années, l'évolution fait un bond important : des cellules isolées s'associent par endosymbiose pour former des organismes eucaryotes. Puis 1 milliard d années plus tard, ces cellules s associent et forme les premiers organismes pluricellulaires. Ces premiers vivants sans coquille ou squelette ont laissé peu de traces fossiles mais très vite ils se sont diversifiés, ont évolué et foisonné, faisant de l'océan une véritable source de vie. III) L'évolution de la vie Cf. diapositive 10 La vie apparue un milliard d'années après la formation de la Terre est vraisemblablement à l'origine de la production de dioxygène qui a ensuite favorisé l'évolution et la diversification des êtres vivants. La vie a modifié la surface de la Terre mais l'histoire de la Terre a influencé l'histoire de la vie : des événements ont transformé les conditions de vie donc le peuplement des milieux. A) Les grands principes de l évolution La théorie de Darwin ( ) selon laquelle la sélection naturelle entraîne des changements au cours de l évolution s écartait radicalement des idées religieuses et philosophiques dominantes de l époque. Cf. diapositive 11 Selon Aristote ( av. J.-C.), les espèces sont fixes (immuables) ; il observe certaines affinités entre les organismes concluant que les formes de vie peuvent être classées selon une échelle de complexité croissante, scala naturae (échelle de nature) ; chaque forme de vie est parfaite et permanente, et occupe un rang. Cf. diapositive 12 Carl Von Linné ( ) pensait que les formidables adaptations des organismes à leur environnement prouvaient que le Créateur avait destiné chaque espèce à une fin précise (récit de la Création dans l Ancien Testament, les espèces sont conçues par Dieu indépendamment l une de l autre et sont donc parfaites = créationnisme) ; il a cherché à classifier la diversité du vivant, la taxinomie ou taxonomie (nomenclature binomiale, genre et espèce). L étude des fossiles dans les roches sédimentaires a jeté les bases des idées de Darwin. Selon Georges Cuvier ( ), dans chaque strate de roches sédimentaires, les fossiles donnent un aperçu des organismes qui ont peuplé la Terre à l époque où cette strate s est constituée. Fondateur de la paléontologie, il défend le catastrophisme : chaque strate correspond à une catastrophe dans 3/6

4 le temps impliquant des phénomènes d extinction ; des espèces venant d ailleurs repeuplent la région. Cf. diapositive 13 Cette théorie se heurtait aux travaux des géologues James Hutton ( ) et Charles Lyell ( ) selon lesquels les changements survenus à la surface de la Terre pouvaient résulter d actions continuelles et lentes qui sont toujours à l œuvre aujourd hui (gradualisme et uniformitarisme). Cf. diapositive 14 Le biologiste français Jean-Baptiste Pierre Antoine de Monet, chevalier de Lamarck ( ) a imaginé un modèle pour expliquer les modalités de l évolution biologique. Selon lui, les espèces peuvent se transformer en d autres espèces produisant des lignées qui n auraient toutefois pas d origine commune (transformisme). Sa théorie se basait sur deux principes : - principe de l usage et non-usage (cou allongé de la girafe et yeux atrophiés de la taupe) ; - principe de l hérédité des caractères acquis (transmission des transformations à la descendance). B) La sélection naturelle de Darwin Cf. diapositive 15 C est grâce aux expériences qu il a réalisées au cours de l expédition du Beagle ( ) que Darwin a pu formuler sa théorie de l évolution. Le naturaliste a montré que de nouvelles espèces dérivent d espèces ancestrales par l accumulation graduelle d adaptation (Ex. : Aux Galápagos, 14 espèces de géospizes se distinguent par leur bec, adapté au régime alimentaire de chaque île). Cf. diapositive 16 Dans son livre «De l origine des espèces au moyen de la sélection naturelle» ou «La conservation des espèces dans la lutte pour la survie» (1859), Darwin décrit son idée de la descendance avec modification. Selon lui, il existe des variations héréditaires au sein des populations, et certaines de ces variations sont mieux adaptées que d autres au milieu dans lequel les populations vivent. Comme ils ont tendance à produire plus de descendants que l environnement ne peut en soutenir, les organismes se livrent une lutte pour survivre et ce sont les mieux adaptés au milieu qui ont plus de chance de survivre et de se reproduire, transmettant à leur descendance les caractères héréditaires favorables. Avec le temps, le processus de sélection naturelle peut déboucher sur l adaptation, c esà-dire la présence chez les êtres vivants de caractères héréditaires adaptés à l environnement local. C) Les preuves par l observation 1) Quelques expériences Cf. diapositive 17 Des chercheurs ont observé que la sélection naturelle donnait lieu à une évolution adaptative chez des populations de guppys sauvages. La prédation différentielle aboutit à un changement évolutif observable dans la population, le changement de prédateur favorise certaines variations dans la population (masse et âge de maturité sexuelle). Chez les humains, les médicaments favorisent la survie des agents pathogènes qui résistent aux effets de ces médicaments (VIH et pharmacorésistance). La capacité des Bactéries et des Virus à évoluer rapidement est un problème pour la société. 2) Les homologies anatomiques et moléculaires Cf. diapositive 18 La ressemblance de caractères résultant d ancêtres communs est appelée homologie. 4/6

5 Certaines homologies sont anatomiques comme pour la structure des membres antérieurs des Mammifères ainsi que pour la présence d une queue dans le développement des embryons de Vertébrés. D autres homologies sont moléculaires comme le code génétique universel. Des organismes aussi différents que les humains et les Bactéries possèdent beaucoup de gènes en commun qu ils ont hérité d un ancêtre commun distant. 3) La biogéographie Cf. diapositive 19 C est son observation de la répartition des espèces, soit la biogéographie, qui a amené Darwin à imaginer sa théorie de l évolution. Deux espèces différentes de Mammifères, Marsupiaux australiens Placentaires, se sont adaptés de la même manière mais ont évolués indépendamment à partir d ancêtres différents. 4) Les archives géologiques Cf. diapositive 20 Les roches sédimentaires sont les sources de fossiles les plus riches. Des particules de sable et de limon détachées des sols par l érosion sont emportées par les cours d eau jusque dans les marais et dans les mers, où elles se déposent au fond en même temps que les restes d organismes morts. Durant des millions d années, les dépôts s accumulent et compriment les sédiments sous-jacents, les transformant en couches appelés strates. Les archives géologiques correspondent à l ordre d apparition des fossiles dans ces strates de roches sédimentaires. Les chercheurs ont découvert des preuves fossiles que les Oiseaux descendent d une même branche de Dinosaures ; ils ont découvert des fossiles de baleines qui font lien entre ces Mammifères aquatiques et leurs ancêtres terrestres. D) L évolutionnisme actuel Cf. diapositive 21 Le darwinisme propose une conception matérialiste de l évolution, fait du hasard et de la sélection naturelle. Les autres théories évolutionnistes non-darwiniennes ont plusieurs écoles de pensée : - L école française représentée par la paléontologue Anne d Ambricourt-Malassé qui croit que l évolution est liée à une poussée vers la complexité qui devait générer la conscience et l esprit humain. - Celle des néo-lamarckien qui, généralement agnostiques, pensent que l évolution est le fruit d une interaction avec l environnement. - Celle du généticien américain Michael Denton, qui pense que l évolution est fondée sur des lois naturelles. Par exemple si vous avez de l eau au sommet d une montagne, cette eau ne peut descendre de la montagne qu en utilisant un certain nombre de canaux prédéterminés par les lois de la nature. - L idée d émergence et d auto-organisation telle qu elle a été développée par le scientifique Francisco Varela, qui était bouddhiste. Pour les créationnistes, le monde et l homme ont été créés par Dieu selon le récit littéral de la Genèse «Intelligent Design» : mouvement de créationnistes unis par l idée selon laquelle la complexité des êtres vivants prouve l existence d un concepteur qui aurait violé les lois de la nature pour faire apparaître de nouvelles espèces. 5/6

6 Cf. diapositive 22 Pierre Teilhard de Chardin ( ) : l évolution témoigne d un dessein spirituel, théorie christocentrique ; à partir de la création, le plan évolutif du cosmos s est tendu vers l apparition de l homme. Lettre du pape Jean-Paul II à l académie pontificale des sciences du 22 octobre 1996 : «les théories modernes de l évolution sont acceptables mais restent des hypothèses. Cependant, l homme doit avoir une situation centrale». 6/6