Chapitre 7 : diversification des êtres vivants et évolution de la biodiversité

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1 Chapitre 7 : diversification des êtres vivants et évolution de la biodiversité Au sein d une espèce, la diversité entre les individus a pour origine les mutations, sources de création de nouveaux allèles, et la reproduction sexuée qui assure le brassage de ces allèles lors de la méiose et de la fécondation. Cela est donc source de diversification mais ne suffit pas à expliquer toute la biodiversité de notre planète. Quels sont les autres mécanismes à l origine de cette grande biodiversité? I Diversification des êtres vivants A Diversification avec modifications des génomes 1) La polyploïdisation Une espèce polyploïde contient plus de deux copies de ses chromosomes. Cette anomalie du nombre de chromosomes est due le plus souvent à une anaphase 1 anormale qui n a pas séparé les chromosomes homologues, conservant ainsi tous les chromosomes dans une seule des deux cellules filles formées à la méiose I. C est l autopolyploïdie, qui se passe pour un individu faisant partie d une espèce précise. Voir document 1. Les individus obtenus peuvent avoir 4n, 6n, 8n chromosomes, et ils font fertiles mais on peut aussi avoir des individus 3n, 5n, 7n qui seront stériles. Ce phénomène est très fréquent chez les végétaux (blé, maïs, riz amine), et plus rare chez les animaux (notons qu il existe des grenouilles africaines à un extrême de 8n). Les gamètes obtenus suite à une méiose anormale peuvent s unir par autofécondation chez les végétaux, ce qui explique pourquoi la polyploïdie est plus fréquente chez ceux-ci. La polyploïdie multiplie donc les chromosomes et leurs gènes, il y a enrichissement du génome. 2) Hybridation et polyploïdisation L hybridation est le croisement naturel ou artificiel de deux individus d espèces différentes, qui entraîne l apparition d individus le plus souvent stériles. Les chromosomes de l hybride n ont pas forcément d homologues. Exemple : le blé. Le Blé sauvage est à 2n chromosomes alors que le blé tendre actuel est à 6n chromosomes. Cette nouvelle espèce polyploïde résulte d'une hybridation et d'une polyploïdisation naturelle qui a fait passer le blé sauvage de 2n à 4n puis avec intervention de l'homme il y a eu à nouveau hybridation avec une espèce à 2n chromosomes ce qui a donné des hybrides à 3n chromosomes stériles et par polyploïdisation on a obtenu du blé à 6n chromosomes fertile. 3) Transferts de gènes par voie virale Voir p42. Les virus sont tous parasites, et infectent les cellules en y injectant leur matériel génétique qui s incorpore à l ADN des cellules parasitées, qui vont alors produire des protéines virales. Il y a ainsi transfert horizontal de gènes. Ce transfert peut être nuisible dans le cas du VIH, qui parasite une catégorie de cellules sanguines (lymphocytes T4), et est responsable du SIDA. Ces transferts peuvent aussi être bénéfiques, comme le gène viral de la syncitine qui permet aux mammifères femelles la mise en place du placenta (notamment chez l Homme). Le transfert de gènes est aussi utilisé en thérapie pour essayer de soigner les maladies génétiques (ex : mucoviscidose). 4) Modification des gènes du développement a Gènes du développement et plans d organisations Les gènes du développement contrôlent la mise en place du plan d organisation chez un être vivant : place et nombre des organes. Ces gènes du développement, chez les mammifères, sont appelés gènes HOX, et ils forment une famille

2 multigénique suite à des duplications de gènes suivies de transpositions, soit sur le même chromosome, soit sur des chromosomes différents. Ces gènes existent aussi chez d autres espèces, ce qui permet d établir des parentés à partir de ces gènes homologues. b Conséquences des mutations de ces gènes du développement Voir page 40. Une mutation du gène HoxD13 entraîne l apparition d un 6 e doigt, ou la suppression d un doigt, ce qui est observé chez l homme ou chez la souris. La mise en place de membres en 3 parties appelés membres chiridiens (ex : bras/avant-bras/main ; cuisse/jambe/pied) Voir TP12 et page 40. Une mutation du gène HoxD13 a modifié la localisation et la chronologie d expression de ces gènes ce qui a permis l apparition non plus d une nageoire, mais d un membre chiridien. Les serpents n ont plus de membres suite à la mutation du gène HoxD6 qui commandent la présence de côtes sur les vertèbres lombaires. Cela empêche l expression d autres gènes du développement qui s exprimaient au niveau lombaire. Il y a donc modification là encore de la localisation des gènes du développement suite à leur mutation. La forme du bec des pinsons (voir page 41). Sur les îles Galápagos, Darwin a découvert de très nombreuses espèces de pinsons qui habitent dans différentes îles de l archipel. Ces espèces différaient surtout par la forme de leur bec. Cette forme est due à une mutation du gène BMP4, ce qui a entraîné soit une forte expression de ce gène d où formation d un gros bec, soit faible expression de ce gène d où formation d un petit bec. Cette différence de bec due à une intensité d expression d un gène plus ou moins importante est à l origine des régimes alimentaires différents des pinsons dans les différentes îles. B Diversifications des êtres vivants sans modification du génome 1) Association entre êtres vivants d espèces différentes : la symbiose Voir TP12. La symbiose est très fréquente chez les végétaux, entre champignons et algues ce qui forme des lichens, ou entre champignons et racines d arbre ce qui forme des mycorhizes (voir p46). Dans tous les cas, les champignons apportent l eau et les sels minéraux, et les végétaux chlorophylliens auxquels ils sont associés leur apportent des matières organiques issues de leur photosynthèse, ce qui facilite leur croissance. Il peut aussi y avoir des symbioses entre un animal et un végétal, tels que les coraux, ou entre bactéries et mammifères, comme les bactéries constituant la flore intestinale, indispensable à la digestion. Cette diversification des êtres vivants se fait sans aucune modification de leur génome. 2) Transmission culturelle et diversification Les populations de macaques se différencient par leur comportement. Certaines lavent le blé, d autres lavent les patates douces ; ils transmettent à leur descendance ce comportement par imitation. Chez les oiseaux, il y a aussi transmission culturelle du chant, ce qui permet d attirer les femelles et ils peuvent se reproduire. Ceux qui ont un chant différent ne pourront pas se reproduire. Dans tous ces de transmission culturelle, il y a diversification des populations sans modification du génome. II De la diversification des êtres vivants à l évolution de la biodiversité A Diversité des populations et leur évolution Une population est un ensemble d individus de la même espèce, qui vivent à proximité les uns des autres et se reproduisent entre eux, partageant un ensemble de gènes. Une population est caractérisée par une diversité allélique des individus qui la constituent. La diversité d une population dépend de la diversité génétique des individus. 1) Evolution et sélection naturelle

3 Les éléphants avec des grandes incisives (ou défenses) sont avantagés pour chercher la nourriture, protéger les petits et combattre, contrairement à ceux qu une mutation a rendu sans défense. Cela leur confère donc un avantage, et ce sont eux qui se reproduiront et transmettront l allèle responsable de la croissance de ces grandes incisives. La présence de ces dernières représente donc un avantage sélectif et reproductif : c est la sélection naturelle. Jusque dans les années 1990, en Zambie, les éléphants étaient chassés pour récolter l ivoire de leurs défenses, ce qui a fait diminuer le nombre d individus porteurs de défenses. Après 1990, l interdiction du commerce d ivoire a permis d avoir à nouveau des éléphants avec défenses, qui à nouveau ont été avantagés. La population de ces éléphants a donc évolué en fonction de l homme, faisant augmenter ceux dépourvus de défenses, puisqu ils n étaient pas chassés, et les faisant à nouveau diminuer quand ils ne pouvaient plus intervenir pour chasser ceux qui avaient des défenses. On en conclue que l homme est aussi un facteur de sélection naturelle. Il y a ainsi variation de la fréquence d un allèle sous la pression du milieu, dont l homme, et de la concurrence entre les êtres vivants. 2) Evolution et dérive génétique Suite à cette chasse intensive des éléphants pour leur ivoire, le parc d Addo a été créé à partir de onze individus à l origine de la population actuelle qui contient 98% d éléphants sans défense. Cette population restreinte, puisqu elle est dans un milieu protégé, ne voit pas la sélection naturelle s exercer : elle se reproduit entre elle, ce qui limite la diversité des allèles transmis. Dans ce cas, seule une petite quantité des allèles possibles est transmise : c est la dérive génétique, avec effet fondateur c est-à-dire fondation d une nouvelle population. Un phénomène génétique tel que la duplication + transposition des gènes sur le même chromosome peut entraîner une diversité dans les allèles d une population. On aura ainsi les allèles LA4 ou LA5 qui seront différemment répartis dans les populations. Il y aura ainsi encore dérive génétique et évolution des populations, au départ de la même espèce, qui pourront par la suite devenir des espèces différentes, suite à la diversification de leur génome. Par la suite les individus de ces populations ne pourront plus se reproduire entre eux. Conclusion A : la transformation d une population se fait grâce à 2 mécanismes : la sélection naturelle exercée par le milieu, et la dérive génétique qui modifie la fréquence des allèles. Cette modification d une population au cours du temps est appelée évolution biologique. B Evolution des populations et évolution des espèces 1) La notion d espèce L espèce est : Un ensemble d individus qui présentent des caractéristiques communes (phénotypiques et caryotypiques) Un ensemble d individus qui sont interféconds et dont les descendants sont féconds également Les espèces se renouvellent au cours des temps géologiques, ce qui signifie que qu une espèce a une durée de vie limitée, qu elle peut disparaître, et qu elle est apparue à un moment donné. L apparition de nouvelles espèces se fait toujours à partir d espèces préexistantes Cette définition pose plusieurs problèmes : Critères de ressemblance et espèces. Exemple : les espèces jumelles, comme chez les oiseaux, qui ont le même aspect phénotypiques mais un chant différent donc les femelles ne sont pas attirées par les mâles de l espèce jumelle et ils ne peuvent pas s reproduire entre eux. Ils appartiennent donc à des espèces différentes : le critère de ressemblance n est pas valable Critère d interfécondité et définition de l espèce. Pour les animaux, les hybrides obtenus par croisement de deux espèces différentes donnent, en général, des individus stériles. Mais certains peuvent être fertiles, comme les hybrides femelles ligre, résultats du croisement entre un lion et une tigresse. Par ailleurs, le croisement entre loups, coyotes, chacals et chiens donne des hybrides qui sont tous fertiles. Chez les végétaux, les hybrides comme pour les ancêtres du blé peuvent devenir fertiles suite à une polyploïdisation. On en conclut que ce critère d interfécondité n est pas toujours valable pour définir une espèce.

4 On en conclut que la définition de l espèce doit être modifiée pour tenir compte de ces critères qui ne sont pas toujours valables. Actuellement, une espèce est définie comme une «population d individus isolés génétiquement des autres». 2) Apparition d espèces à partir de populations d une même espèce : la spéciation La spéciation est l éclatement d une espèce en deux ou plusieurs espèces distinctes, du fait de l apparition en son sein d un moins une barrière d isolement reproductif. a Spéciation suite à un isolement géographique de 2 populations Exemple : les pinsons. Darwin a mis en évidence 13 espèces différentes de pinsons dans les îles Galápagos, provenant toutes d un ancêtre commun, et qui avaient évolué différemment dans les îles de l archipel avec des becs très différents, à l origine de régimes alimentaires différents et aussi de chants différents, ce qui les empêcheraient de se reproduire d où un isolement reproductif. Cela est en relation avec les mutations du gène du développement BMP4. Autre exemple : les souris, comme celles de Madère à l ouest du Portugal, ont eu des remaniements chromosomiques avec association et fusion de chromosomes différents d où caryotypes différents, entraînant un isolement reproductif et donc impossibilité de se reproduire avec les souris initiales restées sur le continent. La spéciation a lieu lorsqu une population d individus d une espèce donnée est séparée en 2 groupes par une barrière géographie (mer, montagnes, glacier, rivière, etc.). Il n y a alors plus de flux de gènes entre ces groupes, qui évoluent indépendamment et finissent par former deux espèces, qui accumulent des différences génétiques, morphologiques et comportementales, avec isolement reproductif. Elles sont ensuite soumises au cours du temps à la sélection naturelle et à la dérive génétique. b Spéciation avec isolement reproductif au sein d une même population Des animaux qui vivent dans un même milieu peuvent se répartir à des «étages» différents d une forêt ou d un lac. Ils vont alors occuper des territoires différents, ou niches écologiques, dont ils vont exploiter les différentes ressources. Il peut ainsi y avoir spécialisation trophique (= alimentaire). De plus il peut y avoir des différences de température, entraînant de légers décalages dans les périodes de reproduction, et dans ce cas les croisements entre individus de niches écologiques différentes ne peuvent plus se faire : il y a isolement reproductif et spéciation.

5 On passe d une population à une espèce par deux grands types de spéciation : barrière géographique entre deux populations ou isolement reproductif au sein d une même population. Conclusion Une espèce peut être considérée comme une population d individus suffisamment isolés génétiquement des autres populations. Une population d individus identifiée comme constituant une espèce n est définie que durant un laps de temps fini. On dit qu une espèce disparaît si l ensemble des individus concernés disparaît ou cesse d être isolée génétiquement. Une espèce supplémentaire est définie si un nouvel ensemble s individualise.