Recherche de parenté entre les vertébrés

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1 1 CHAPITRE A Recherche de parenté entre les vertébrés

2 2 Chapitre A : Recherche de parentés entre les êtres vivants Tous les êtres vivants présentent des structures cellulaires et un fonctionnement commun qui traduisent une origine commune. La biodiversité du monde actuel résulte d une évolution qui a débuté il y a 3,8 milliards d années. Les relations de parenté entre les êtres vivants actuels et fossiles sont établies à partir de caractères embryologique, anatomique, moléculaire. On établit ainsi des arbres phylogénétiques qui rendent compte des relations plus ou moins étroites de parenté des organismes. 1. Biodiversité et unité du vivant Actuellement, on décrit environ 1,7 millions d espèces. Les spécialistes pensent que le nombre réel d espèces de la biosphère pourrait se situer entre 10 et 100 millions. Malgré la diversité des formes de vie observées, c est l unité qui se dégage du monde vivant : - unité d organisation (tous les êtres vivants sont constitués de cellules) - unité de fonctionnement (le métabolisme cellulaire est le même pour toutes les cellules procaryotes ou eucaryotes). L ADN est toujours le support de l information génétique, le génotype détermine toujours le phénotype moléculaire, selon les mêmes principes de synthèse protéique et en utilisant toujours le code génétique. Cette unité suggère une origine commune pour tous les êtres vivants qui ont donc tous un même ancêtre commun inconnu, le premier organisme unicellulaire baptisé LUCA (Last Unicellular Ancestor). L unité du plan d organisation des Vertébrés suggère une parenté plus étroite entre ces organismes qu avec d autres être vivants. Tous les êtres vivants actuels et fossiles ont donc des relations de parenté plus ou moins étroites. Comment les représente-t-on? 2. La recherche de parenté chez les Vertébrés l établissement de phylogènies a) Notions de phylogénie et d homologie On appelle phylogénie l établissement des relations de parenté entre les espèces. La phylogénie est différente d une généalogie car elle s interesse aux espèces et non aux individus. L établissement des relations de parenté entre espèces se fait par la recherche de ressemblance héritées d un même ancêtre commun : ces ressemblances sont appelées caractères homologues. On appelle caractères homologues, des caractères anatomiques qui, chez des espèces ayant le même plan d organisation, dérivent d une même structure embryonnaire ou d une même structure ancestrale, même si au cours du développement ou de l évolution, ces structures ont acquis des fonctions différentes. Ces homologies peuvent être trouvées au niveau des organes, des étapes de développement embryonnaire, des organites, des molécules (séquence d ADN ou de protéines).

3 3 Exemple : les membres des vertébrés tétrapodes actuels ont une organisation similaire : on parle d organes homologues, ils présentent la même structure mais pas la même fonction (Document 1). Remarque : Les caractères analogues sont des caractères qui se ressemblent et présentent la même fonction mais ont une origine embryologique différente. Exemple : aile de chauvesouris et aile de libellule. A partir des homologies, on établit un portrait robot de l ancêtre commun hypothétique. Ce dernier possède tous les caractères homologues partagés par la totalité des espèces considérées. b) Exemples d établissement de phylogénies Les Vertébrés possèdent un certain nombre de caractères homologues qu ils sont seuls à partager. Tous les Vertébrés possèdent le même plan d organisation, les invertébrés ne possèdent pas ce plan d organisation. Ceci constitue la preuve que tous les Vertébrés sont issus d un ancêtre commun qui possédait ce plan d organisation. Le groupe des Vertébrés est dit monophylétique. Un groupe monophylétique comprend des individus possèdant tous un même caractère homologue particulier. Il est constitué d un ancêtre commun et de tous des descendants. c) Notion de caractères dérivés A l intérieur du groupe des Vertébrés, les espèces sont plus ou moins apparentées entre elles. Quels sont les caractères qui doivent être retenus pour établir des phylogénies entre les espèces de Vertébrés? Ce sont les caractères dérivés. Un caractère dérivé est un caractère possédé par une ou plusieurs espèces et différant du caractère ancestral. La présence de poils est un caractère dérivé permettant de définir le groupe monophylétique des Mammifères. On dit que la présence de poils est une innovation évolutive. Celle-ci est un caractère de l ancêtre commun hypothétique du groupe des Mammifères et peut être placé sur l arbre phylogénétique. d) La réalisation des arbres phylogénétiques (= arbres phylogéniques) La réalisation d un arbre phylogénétique s établit à partir d une matrice des caractères (ou à partir d une matrice de distances) dans laquelle seront placés les caractères dérivés (Document 2). On constate que tous les vertébrés possèdent des vertébres : ils dérivent donc d un même ancêtre et l innovation évolutive «vertébres» a été acquise avant l apparition de cet ancêtre. Le caractère vessie gazeuse ou poumons est partagé par tous les Vertébrés sauf les requins et les raies. Le groupe comprenant tous les vertébrés sauf les requins et les raies est donc un groupe monophylétique qui descend d un même ancêtre possèdant une vessie gazeuse ou un poumon. Les requins et les raies n ont pas cet ancêtre commun avec les autres.

4 4 Si on procède ainsi pour chaque caractère, on peut établit l arbre phylogénétique (Document 3). Les crocodiles et les oiseaux sont plus apparentés entre eux que les oiseaux et les serpents. Plus l ancêtre commun à deux espèces est récent, plus les espèces sont étroitement apparentées. e) Utilisation de données moléculaires comme caractères homologues On peut utiliser les séquences en nucléotides des gènes et les séquences en acides aminés des protéines pour établir des phylogénies La forte ressemblance entre les séquences en nucléotides d un gène ou les séquences en acides aminés d une protéine partagée par deux ou plusieurs espèces souligne leur homologie. Exemple : Comparaison des séquences des premiers acides aminés du cytochrome C chez quatre Vertébrés. Afin d utiliser ces données moléculaires, on calcule la distance évolutive entre deux séquences. Elle est calculée comme le rapport entre le nombre d acides aminés ou de nucléotides qui diffèrent entre 2 séquences et le nombre total d AA ou de nucléotides. Avec l exemple ci-dessous, on obtient : Mouton 5/50 = 10% Carpe 10/50 = 20% 6/50 = 12% Euglène 37/50 = 74% 36/50 = 72% 37/50 = 74% Homme Mouton Carpe La plus forte homologie de séquence se trouve entre le cytochrome C de l homme et du mouton. Ces 2 séquences possédent un ancêtre commun récent qu ils ne partagent pas avec les autres espèces. Le cytochrome de la Carpe montre une homologie plus faible avec ceux du Mouton et de l Homme mais celle-ci est supérieure à celle de l Euglène. On peut ainsi reconstituer une phylogénie de ces 4 espèces.

5 5 Conclusion : Les caractères communs possédés par un groupe d espèces sont hérités d une population ancestrale. Pour établir les phylogénies, on recherche les caractères dérivés commus (homologies) à différents groupes d espèces. Les arbres phylogénétiques sont en constante évolution. Nombreux sont le cas où les données moléculaires et morphologiques ne s accordent pas. Il faut alors élargir le champ de comparaison afin d avoir une approche plus diversifiée et choisir l arbre le plus représentatif parmi les différents arbres possibles : on parle du principe de parcomonie. La parcimonie est un principe consistant à n utiliser que le minimum de changements évolutifs pour expliquer des relations phylogénétiques.