DM N 1 : Parentés entre les êtres vivants actuels et fossiles Phylogenèse - Evolution Chapitre 1 Partie I Restitution organisée de connaissances La diversité du monde vivant a amené les biologistes à proposer des outils permettant d'établir des relations de parenté entre les espèces actuelles et fossiles. On souhaite préciser comment les scientifiques justifient le positionnement de fossiles dans le règne animal puis dans la lignée humaine. Exposez le principe permettant d'établir des liens de parenté entre les organismes. Indiquez la place de l'homme actuel dans le règne animal, puis citez les critères d'appartenance à la lignée humaine. Votre exposé comportera une introduction, un développement structuré et une conclusion. Aucun schéma n'est exigé. Premier exercice : Partie II - exercice1 : Pratique du raisonnement scientifique - En vous appuyant sur les informations extraites du tableau 1a, placez sur l arbre phylogénétique 1b que vous aurez recopié, les innovations évolutives qui ont conduit à l état dérivé des caractères considérés. - Indiquez en justifiant votre réponse les caractères de l ancêtre commun exclusif aux 3 espèces : Lézard, crocodile et perroquet. Document 1a : Etats de quelques caractères chez 5 espèces de Vertébrés Caractères cheval crocodile lézard perroquet tortue Acide ornithurique 0 1 1 1 1 Amnios 1 1 1 1 1 Fenêtre anteorbitaire 0 1 0 1 0 Fenêtre sousorbitaire 0 1 1 1 0 Membrane 0 1 0 1 0 nictitante Plumes 0 0 0 1 0 0 : état ancestral (absence) 1 : état dérivé (présence)
Document 1b : Arbre phylogénétique cheval tortue lézard crocodile perroquet Deuxième exercice : A partir des informations recueillies par l exploitation du document, déterminer le degré de parenté entre l Homme et les autres vertébrés cités. Document : Séquence partielle de la myoglobine chez cinq Vertébrés (acides aminés de 1 à 25) La myoglobine est une protéine présente dans les muscles de tous les Vertébrés. Il s agit d une molécule homologue. Sa séquence complète comporte 153 acides aminés.
Troisième exercice : Justifiez les relations de parenté exprimées dans l'arbre phylogénétique à partir de l'exploitation de la matrice taxons/caractères qui a permis d'établir cet arbre. Documents 1- matrice taxons/caractères de quelques vertébrés actuels Doigts Allaitement Ongles/Griffes Placenta Chat sauvage présents oui griffes présent Chimpanzé présents oui ongles plats présent Crocodile présents non griffes absent Gibbon présents oui ongles plats présent Homme présents oui ongles plats présent Mésange présents non griffes absent Sardine absents non aucun absent 2- arbre phylogénétique obtenu à partir de la matrice Chimpanzé Gibbon Homme Chat sauvage Mésange Crocodile Sardine Grille d évaluation du DM n 1 Critères évalués Commentaires éventuels AE E Partie II exercice 1 : Pratique du raisonnement scientifique Trier des informations en rapport avec le problème à résoudre Mener une démarche explicative Réaliser une synthèse des informations Présentation générale du devoir Orthographe Expression
CORRECTION DU DM N 1 : Parentés entre les êtres vivants actuels et fossiles ( Chapitre 1 ) Indices de correction d après le barème du baccalauréat Partie I Principales notions attendues Barème Remarque-: La définition de l'expression "lignée humaine" peut être plus ou moins précise dans l'introduction. Ne pas pénaliser les candidats qui complètent leur définition dans leur développement. Les liens de parenté sont établis par la comparaison de caractères homologues embryonnaires, 1,25 morphologiques, anatomiques et moléculaires. (seuls trois des caractères suffisent) Seul le partage de caractères homologues à l'état dérivé est pris en compte pour établir un lien de parenté. 1,25 Plus le nombre de caractères à l'état dérivé partagés est élevé plus la parenté est étroite. L'Homme est un eucaryote, vertébré, tétrapode, amniote, mammifère, primate, hominoïde, hominidé, 1 homininé. L'Homme actuel, Homo sapiens, appartient à la lignée humaine - histoire évolutive des homininés à partir du 0,5 plus récent ancêtre commun à l'homme et au Chimpanzé - (définition attendue ici ou dans l'introduction). Elle comprend une espèce actuelle, Homo sapiens et des espèces fossiles des genres Homo et 0,5 Australopithecus. Les critères d'appartenance à la lignée humaine sont: - caractères liés à la station bipède (position du fémur, trou occipital, courbures de la colonne vertébrale, taille du bassin...), 2 - développement du volume crânien, - régression de la face, - traces fossiles d'activité culturelle. Si un seul de ces critères est satisfait par un fossile, celui-ci appartient â la lignée humaine. 0,5 Remarque Les QUATRE critères doivent être cités mais seuls deux caractères liés à la bipédie sont attendus parmi ceux cités. Présence d'une introduction, d'une conclusion et d'un développement structuré en paragraphes 1 Premier exercice : Partie II exercices 1 Le but de cet exercice est tout d abord de compléter et de justifier l arbre phylogénétique proposé à l aide des données de la matrice de caractères présentant les états dérivés et ancestraux de 6 caractères pour 5 espèces de vertébrés. Dans un deuxième temps, nous expliquerons comment on peut utiliser les données de la matrice et de l arbre phylogénétique pour déterminer les caractères que devait présenter l ancêtre commun exclusif au lézard, au crocodile et au perroquet. Première partie du travail : - L amnios étant un caractère dérivé partagé par tous les vertébrés de l arbre, cela s explique si l innovation évolutive «présence de l amnios» s est produite avant l individualisation de chacune des lignées représentées par les branches de l arbre. (voir document complété au dos) - La présence d acide ornithurique est un caractère dérivé partagé par toutes les espèces sauf le cheval. Cela ne peut s expliquer que si cette innovation évolutive «présence d acide ornithurique» s est produite après la séparation de la lignée du cheval de celle de toutes les espèces possédant ce caractère dérivé. Par conséquent l ancêtre commun 1 (ancêtre commun exclusif à tous les vertébrés de l arbre) possédait un amnios mais pas d acide ornithurique ou d autres caractères dérivés présentés dans le tableau. (Voir document complété au dos) - Par le même mode raisonnement, on peut affirmer que l innovation évolutive «présence d une fenêtre sous-orbitaire» s est produite après que la lignée de la tortue s est individualisée à partir de la population d ancêtres communs 2 puisque seuls, le lézard, le crocodile et le perroquet possèdent ce caractère dérivé «présence d une fenêtre sous-orbitaire». Par conséquent l ancêtre commun 2 de l arbre possédait les caractères dérivés «amnios et acide ornithurique» mais pas les autres présentés dans la matrice.
C est le dernier ancêtre commun à toutes les espèces qui possédaient ces caractères dérivés donc dans ce cas la tortue, le lézard, le crocodile et le perroquet. (voir document complété au dos) - Par le même mode raisonnement, on peut affirmer que l innovation évolutive «présence d une membrane nictitante et d une fenêtre anté-orbitaire» s est produite après que la lignée du lézard s est individualisée à partir de la population d ancêtres communs 3 puisque seuls le crocodile et le perroquet possèdent ces caractère dérivés «membrane nictitante et fenêtre antéorbitaire». Par conséquent l ancêtre commun 3 de l arbre possédait les caractères dérivés «amnios,acide ornithurique, fenêtre sousorbitaire» mais pas les autres de la matrice. C est le dernier ancêtre commun au lézard, au crocodile et à la tortue. (voir document complété au dos) - De la même façon, on peut affirmer que l innovation évolutive «apparition de plumes» s est produite après que la lignée du crocodile s est individualisée à partir de la population d ancêtres communs 3 puisque seuls, le perroquet possède ce caractère dérivé «présence de plumes». Par conséquent l ancêtre commun 4 de l arbre possédait les caractères dérivés «amnios, acide ornithurique, fenêtre sousorbitaire, membrane nictitante et fenêtre anté-orbitaire». C est le dernier ancêtre commun au crocodile et au perroquet. (voir document complété au dos) Suite à ce travail, on peut donc affirmer que l ancêtre commun exclusif au lézard, au crocodile et au perroquet correspond à l ancêtre commun 3 de l arbre. Il possédait donc les caractères dérivés apparus auparavant dans l histoire évolutive de ces cinq espèces c est-à-dire un amnios, de l acide ornithurique et les caractères dérivés partagés exclusivement par tous ses descendants c est-à-dire une fenêtre sous-orbitaire. En revanche, il ne possédait pas de membrane nictitante, de fenêtre anté-orbitaire ni de plumes car ces caractères dérivés sont apparus plus tardivement après que les lignées du lézard, du crocodile et du perroquet se sont individualisées et donc que la population d ancêtre commun 3 a disparu par évolution pour donner ces lignées. Ancêtre commun 4 plumes Ancêtre commun 2 Ancêtre commun 3 Membrane nictitante et fenêtre anté-orbitaire Fenêtre sous-orbitaire Ancêtre commun 1 Acide ornithurique Ancêtre commun amnios Innovation évolutive Arbre phylogénétique de cinq Vertébrés présentant certaines innovations évolutives Deuxième exercice : Le document proposé présente le début de la séquence en acides aminés de la molécule de myoglobine (les 25 premiers) pour cinq Vertébrés : l Homme, le Manchot, le Chimpanzé, la Tortue et le Kangourou. Ces séquences ont été alignées. Nous allons dans un premier temps construire une matrice des distances génétiques entre la séquence de l Homme et celles des autres espèces puis à partir de ces données, nous déterminerons le degré de parenté entre l Homme et les autres Vertébrés. Matrice des distances génétiques entre les myoglobines de cinq Vertébrés Homme Manchot Chimpanzé Tortue Kangourou Homme 0 8 0 10 4 Une lecture rapide de cette matrice montre que le maximum de différences correspond aux séquences de l Homme et celle de la Tortue, 10 différences pour une séquence de 25 acides aminés ce qui fait plus de 50 % de similitudes. On peut donc en déduire que les myoglobines de ces cinq espèces sont des molécules homologues.
Ces similitudes ne peuvent être le fruit du hasard. On ne peut les expliquer que si ces cinq espèces dérivent d une population d ancêtres communs qui présentait déjà une myoglobine à séquence comparable. Les différences existant entre les séquences s expliquent par des mutations qui se sont produites dans les gènes codant pour ces myoglobines au cours de l histoire évolutive de ces espèces depuis la période à laquelle a vécu la population de leurs derniers ancêtres communs citée plus haut. En outre, plus des espèces ont un degré de parenté élevé, plus leur ancêtre commun exclusif est récent. Par conséquent, il se sera écoulé moins de temps depuis la séparation de leurs deux lignées respectives et donc moins de mutations se seront produites. Si l on considère que les mutations se produisent à un rythme régulier (notion d horloge moléculaire), on peut affirmer que plus des espèces sont proches, plus le nombre de différences dans la séquence de leurs molécules homologues respectives sera faible. En utilisant ce principe, on peut définir le degré de parenté entre l Homme et les autres Vertébrés de l exercice. Les séquences des 25 premiers acides aminés des chaînes de myoglobine de l Homme et du Chimpanzé sont strictement identiques contrairement à celle des autres espèces. On peut en déduire que l espèce la plus proche de l Homme est donc le Chimpanzé. Ces deux espèces partagent donc un ancêtre commun exclusif que ne partagent pas les autres espèces. Par le même raisonnement, les séquences de l Homme et du Kangourou présentent 4 différences. Donc le Kangourou est moins proche de l Homme que le Chimpanzé mais plus que la Tortue et le Manchot. Les séquences du Manchot et de l Homme présentent 8 différences. Le Manchot est donc moins proche de l Homme que le Kangourou et le Chimpanzé mais plus que la Tortue. Les séquences de la Tortue et de l Homme présentant 10 différences, cette espèce est la plus éloignée de l Homme parmi les quatre proposées. C est donc celle qui présente l ancêtre commun avec l Homme le plus ancien. Elle le partage d ailleurs avec les autres espèces citées dans le document. Troisième exercice : La matrice fournie pour 7 espèces de Vertébrés présente les états ancestraux et dérivés de quatre caractères. A l aide des informations de cette matrice, nous allons tenter de justifier les relations de parenté exprimées dans l arbre phylogénétique présenté. Ancêtre commun 4 Chimpanzé Gibbon Homme Chat sauvage Mésange Crocodile Sardine Innovation évolutive «Présence d ongles» Ancêtre commun 3 Innovations évolutives «Présence d un placenta et allaitement» Ancêtre commun 2 Innovation évolutive «Présence de doigts» Ancêtre commun 1 Dans la matrice de caractères, on constate que toutes les espèces possèdent le caractère dérivé «présence de doigts» sauf la Sardine. On peut donc en déduire que cette innovation évolutive «Apparition de doigts» s est donc produite après que la lignée qui a conduit à la sardine s est individualisée de celle conduisant à toutes les autres espèces de l arbre. L ancêtre commun à toutes les espèces de l arbre (noté ancêtre commun 1 sur l arbre) ne présentait donc pas cette innovation évolutive. Toutes les espèces sauf la Sardine présentant ce caractère dérivé «Présence de doigts» dérivent donc d un ancêtre commun exclusif que ne présente pas la Sardine et sont donc plus étroitement apparentées entre elles qu elles ne le sont avec la Sardine. Cet ancêtre commun est noté ancêtre commun 2 sur l arbre. Il possédait des doigts contrairement à l ancêtre commun 1 noté sur l arbre.
On constate ensuite que le Crocodile et la Mésange ne présentent pas deux caractères dérivés que partagent le Chat, l Homme, le Gibbon et le Chimpanzé : la capacité à allaiter les petits et l existence d un placenta. On peut donc en déduire que ces deux innovations évolutives sont apparues après que la lignée qui a conduit au crocodile et à la mésange s est individualisée de celle qui a conduit au chimpanzé, à l homme, au Gibbon et au Chat sauvage. On peut donc rajouter que ces quatre espèces sont plus étroitement apparentées entre elles qu elles ne le sont avec la Mésange et le Crocodile. Elles dérivent donc d un ancêtre commun exclusif (noté 3 sur l arbre) qui présentait des doigts, qui allaitait ses petits et qui présentait un placenta. De la même façon, la mésange et le crocodile sont plus apparentés entre eux qu ils ne le sont avec les autres espèce de l arbre. Pour terminer, on constate dans la matrice des caractères que seuls le Chimpanzé, l homme et le Gibbon présentent le caractère dérivé «Présence d ongles plats», l état primitif de ce caractère étant la présence de griffes. Il est présenté par toutes les autres espèces dont le chat sauvage. On peut par le même raisonnement déduire que la lignée qui a conduit au Chat sauvage s est individualisée avant que cette innovation évolutive ne se produisent. La possession de ce caractère dérivé fait des trois espèces, Homme, Chimpanzé et Gibbon les trois espèces les plus apparentées et dérivant d un ancêtre commun exclusif 4 présentant les caractères dérivés suivants : doigts, allaitement, placenta et ongles plats.