Où sont les Hommes? Fiche enseignants Public visé : élèves de lycée (Terminale S). Durée : 1h Lieu : galerie de zoologie Pré-requis : Notions de caractère homologue, d arbre phylogénétique, de groupe monophylétique et d organisme unicellulaire (Amibe). Objectifs pédagogiques : Les élèves inventorient l état (ancestral ou dérivé) de caractères homologues présents chez l Homme et différents spécimens présentés dans la galerie de zoologie. Ils reconstituent ensuite la chronologie d apparition des caractères homologues dérivés pour déterminer le degré de parenté entre les espèces étudiées (définition de groupes monophylétiques). Le but de l activité est de construire un arbre phylogénétique pour déterminer la place de l Homme au sein du règne animal. L arbre phylogénétique construit par les élèves peut être comparé à un arbre alternatif (cf. page 9) et à l arbre généalogique de Cuénot (1930) exposé à l entrée de la galerie de zoologie. Clotilde Verdenal Représentation de l arbre généalogique de Cuénot Déroulement de l animation : - En petits groupes, les élèves parcourent la galerie de zoologie pour observer les spécimens étudiés et remplir le tableau 2 de la fiche (durée 35 min.). - Les élèves complètent ensuite l arbre phylogénétique et délimitent les groupes monophylétiques (durée 20 min.). - La place de l Homme dans le règne animal est récapitulée (durée 5 min.) - En guise de conclusion, une discussion peut être engagée avec les élèves pour comparer l arbre phylogénétique qu ils ont construit avec un arbre alternatif et/ou avec l arbre de Cuénot (durée 10 à 15 min.). Liens avec les programmes scolaires : 1 e ES et 1 e L : place de l Homme dans l évolution Terminale S : parentés chez les Vertébrés et évolution place de l Homme au sein du règne animal Matériel nécessaire : Un stylo et un support d écriture Plan : Galerie de zoologie Département des publics 1/12
Plan de la galerie de zoologie 1 er étage Fiche enseignants Podium 8 Vers rez-de-chaussée galerie d aquariums Vitrine 15A Mammifères GALAGO DE DEMIDOFF Vitrine 15B Mammifères Vitrine 13 GORILLE MACAQUE COURONNÉ CROCODILE DU NIL SALAMANDRE Vitrine 9 Dinosauriens REQUIN GRIS Vitrine 12 Oiseaux PÉLICAN BLANC Vitrine 11 Oiseaux Vitrine 7 Échinodermes Vitrine 3 Mollusques Vitrine 6 Bryozoaires V1 AMIBE Vers rez-de-chaussée hall d accueil Vitrine 0 ORANG- OUTANG Vitrine 14 Mammifères Vitrine 10 Oiseaux Podium 17 Mammifères HURLEUR ROUX GIRAFE Vitrine 16 Mammifères Vitrine 5 Insectes, Arachnides Vitrine 4 Crustacés Vitrine 2 Éponges, Coraux, Méduses Podium 18 Département des publics 2/12
Spécimens de la galerie à étudier : Amibe : vitrine 1 Requin gris : podium 8 Salamandre : podium 8 Crocodile du Nil : podium 8 Pélican blanc : vitrine 10 Girafe : podium 18 Galago de Demidoff : vitrine 15A Hurleur roux : vitrine 15A Macaque couronné : vitrine 15A Orang-outang : vitrine 15A Gorille : vitrine 13 Homme : groupe d élèves / Fiche enseignants Matériel pour approfondir la visite : Pour prolonger l activité en classe, des spécimens de la collection du Muséum-Aquarium peuvent être empruntés, par exemple, des squelettes de Vertébrés comme le Chat, la Chauve-souris, la Corneille, le Lézard et le Rat. Contact : département des collections au 03 83 32 99 97. Corrigé de la fiche et informations complémentaires : Cherche les spécimens à étudier dans la galerie de zoologie. TABLEAU 1 - Caractères homologues observés Caractères homologues État ancestral État dérivé Appendice caudal Queue Coccyx Appendice nasal Truffe ou orifices nasaux Orifices nasaux avec nez proéminent Extrémité des doigts Griffes ou sabots Ongles plats Face Face avec museau Face aplatie Os du poignet Fusion après la naissance Fusion avant la naissance Membres Mouvements des doigts et du pouce Membres pairs rayonnés Écartement seul (= main à plat, doigts écartés ou serrés) Membres pairs munis de doigts (= membres chiridiens) Écartement et recouvrement (= pouce opposable aux autres doigts) Pilosité Poils absents Poils présents Position des narines Narines écartées, ouvertes sur les côtés Narines rapprochées, ouvertes vers le bas Position des yeux Yeux sur les côtés Yeux faciaux Protection de l embryon Gangue gélatineuse Amnios et poche amniotique Squelette Absent ou externe Interne avec vertèbres Type de cellule Cytoplasme contenant le matériel génétique (= cellule procaryote) Noyau contenant le matériel génétique (= cellule eucaryote) Département des publics 3/12
En t aidant du tableau 1, complète le tableau 2 en précisant, pour chaque spécimen, l état du caractère observé : note «D» lorsque l espèce possède le caractère à l état dérivé, note «A» lorsque l espèce possède le caractère à l état ancestral. TABLEAU 2 - État des caractères homologues chez les différentes espèces étudiées Caractères homologues ESPÈCES Appendice caudal Appendice nasal Extrémité des doigts Face Membres Mouvements des doigts Os du poignet Pilosité Position des narines Position des yeux Protection de l embryon Squelette Type de cellule Nombre de caractères à l état dérivé par espèce AMIBE A A A A A A A A A A A A D 1 CROCODILE DU NIL GALAGO DE DEMIDOFF A A A A D A A A A A D D D 4 A A D A D D A D A D D D D 8 GIRAFE A A A A D A A D A A D D D 5 GORILLE D D D A D D D D D D D D D 12 HOMME D D D D D D D D D D D D D 13 HURLEUR ROUX A D D A D D A D A D D D D 9 MACAQUE COURONNÉ A D D A D D A D D D D D D 10 ORANG-OUTANG D D D A D D A D D D D D D 11 PÉLICAN BLANC A A A A D A A A A A D D D 4 REQUIN GRIS A A A A A A A A A A A D D 2 SALAMANDRE A A A A D A A A A A A D D 3 Nombre total d espèces possédant le caractère à l état dérivé 3 5 6 1 10 6 2 7 4 6 9 11 12 Compte le nombre de caractères dérivés présents chez chaque espèce et remplis la dernière colonne du tableau 2. Compte le nombre d espèces partageant chacun des caractères à l état dérivé et remplis la dernière ligne du tableau 2. Place les caractères dérivés dans les rectangles prévus à cet effet sur l arbre phylogénétique (cf. page 5). ATTENTION, plusieurs caractères peuvent s inscrire dans un même rectangle. Aide : le caractère le plus anciennement apparu est celui partagé par le plus grand nombre d espèces. À l inverse, le caractère le plus récemment apparu est celui partagé par le plus petit nombre d espèces. Département des publics 4/12
ARBRE PHYLOGÉNÉTIQUE DU RÈGNE ANIMAL Département des publics 5/12
GROUPES MONOPHYLÉTIQUES / Fiche enseignants Département des publics 6/12
Place les noms des différentes espèces à l extrémité des branches de l arbre (cf. page 5). Aide : l espèce qui a le moins de caractères dérivés est celle qui possède l ancêtre commun le plus ancien. À l inverse, l espèce qui a le plus de caractères dérivés est celle qui possède l ancêtre commun le plus récent. Si votre arbre est correctement construit, le parcours de l arbre de branche en branche (depuis la gauche vers la droite), pour parvenir à l emplacement d une espèce donnée, devrait récapituler tous les caractères dérivés possédés par celle-ci. Mets en évidence les liens de parenté entre les espèces étudiées en répondant aux questions suivantes. Rappel : le degré de parenté s évalue en fonction du nombre de caractères à l état dérivé partagés par différentes espèces. Plus le nombre de caractères dérivés est important, plus le degré de parenté est élevé (et inversement). - Quelle espèce est la plus apparentée au Gorille : l Orang-outang ou l Homme? Pourquoi? L Homme, car il possède12 caractères en commun avec le Gorille, tandis que l Orangoutang n en possède que 11. - Quels sont les caractères dérivés que partagent la Salamandre et le Crocodile du Nil? Cellule eucaryote, squelette interne avec vertèbres, membres chiridiens. - Quels sont les caractères dérivés que partagent la Salamandre et l Homme? Cellule eucaryote, squelette interne avec vertèbres, membres chiridiens. - Quels sont les caractères dérivés que partagent le Crocodile du Nil et l Homme? Cellule eucaryote, squelette interne avec vertèbres, membres chiridiens, amnios et poche amniotique. - Quelles sont les deux espèces présentant le degré de parenté le plus élevé parmi la Salamandre, le Crocodile du Nil et l Homme? Justifie. Le Crocodile du Nil et l Homme sont les deux espèces les plus proches car ce sont celles qui ont le plus grand nombre de caractères dérivés en commun (4). - Sur l arbre phylogénétique trace une croix ( ) pour situer l ancêtre commun à l Homme et au Requin gris (cf. page 5). Précise ensuite les caractères dérivés qu il devait posséder. L ancêtre commun à l Homme et au Requin gris devait au moins posséder des cellules eucaryotes et un squelette interne composé de vertèbres. Rappel : un ancêtre commun est une espèce hypothétique à l origine de la séparation de deux lignées évolutives. Un ancêtre commun est ainsi placé à l emplacement d un nœud (= enracinement d une branche) sur un arbre phylogénétique. Il sépare les espèces ayant acquis un caractère à l état dérivé de celles qui ne le possèderont jamais. Ainsi, un ancêtre commun possède tous les caractères dérivés apparus avant lui. Département des publics 7/12
Sur l arbre phylogénétique, trace les contours des différents groupes emboîtés (= groupes monophylétiques) et légende-les en tenant compte des indications du tableau 3 (cf. page 6). Réponds ensuite aux questions suivantes. TABLEAU 3 - Groupes emboîtés et caractères propres Groupe Amniotes Eucaryotes Hominidés Homininés Hominoïdes Mammifères Primates Tétrapodes Vertébrés Caractères dérivés propres au groupe Amnios et poche amniotique Cellule eucaryote Fusion d os du poignet avant la naissance Face aplatie Coccyx Poils Pouce opposable Yeux faciaux Ongles plats Orifices nasaux avec nez proéminent Narines rapprochées, ouvertes vers le bas Membres chiridiens Squelette interne avec vertèbres Rappel : un groupe monophylétique (ou groupe emboîté) réunit toutes les espèces qui partagent au moins un ancêtre commun et un certain nombre de caractères à l état dérivé. Un groupe monophylétique possède l ensemble des caractères dérivés du ou des groupes dans lesquels il est inclus (= emboîté). - Quelles sont les espèces appartenant au groupe des Amniotes? Toutes les espèces qui possèdent un amnios et une poche amniotique appartiennent au groupe des Amniotes. À savoir, le Crocodile du Nil, le Pélican blanc, la Girafe, le Galago de Demidoff, le Hurleur roux, le Macaque couronné, l Orang-outang, le Gorille et l Homme. - À quels groupes monophylétiques l Homme appartient-il? L Homme appartient à tous les groupes monophylétiques de l arbre phylogénétique construit pendant cette activité, depuis les Eucaryotes jusqu aux Homininés. - Quelles espèces sont à la fois des Hominoïdes et des Hominidés? Le Gorille et l Homme. Pour aller plus loin Une autre manière de présenter le même arbre phylogénétique. L arbre phylogénétique à compléter par les élèves est construit de telle sorte qu ils puissent délimiter facilement les groupes monophylétiques auxquels l Homme appartient. Cet arbre peut toutefois être présenté différemment, sans en modifier l interprétation, en jouant sur le pivotement des branches autour de leurs nœuds. Ainsi une rotation du nœud rattachant les branches menant au Pélican blanc et au Crocodile du Nil (= nœud 4) permet de visualiser un arbre au sein duquel l Homme se situe non plus à l extrémité mais au centre de l arbre. En ne représentant pas la branche menant à l Homme au sommet de l arbre, il est plus évident qu il ne s agit pas d une espèce supérieure aux autres. Département des publics 8/12
ARBRE PHYLOGÉNÉTIQUE DU RÈGNE ANIMAL avec rotation autour du nœud 4 / Fiche enseignants Fiche enseignants Département des publics 9/12
Comparaison avec l arbre généalogique de Cuénot : L arbre généalogique imaginé par Lucien Cuénot (1866-1951) présente une généalogie du monde vivant sous la forme d une arborescence en bulles dont les branches sommitales mènent progressivement vers celles de l Homme et des espèces proches. Les branches les plus basses sont occupées par les groupes les moins apparentés à notre espèce. Il s agit d un mode de représentation de la phylogénie du vivant, en vogue durant toute la première moitié du XX e siècle et inspiré de celui du paléontologiste américain A.S. Romer (1884-1973). Cette interprétation de la phylogénie du vivant résulte de la vision anthropocentrique de l évolution de l époque. Les innovations évolutives qui jalonnent l histoire de la vie, sont considérées comme des «progrès» qui aboutissent à la forme ultime, perfectionnée et dominatrice qu est l espèce humaine. Des points communs et des différences entre un arbre phylogénétique proposé par la cladistique et celui de Cuénot peuvent être soulignés avec les élèves. Points communs : - Les groupes zoologiques présentés par Cuénot correspondent globalement aux groupes monophylétiques actuellement admis. Par exemple, les Archosauriens (réunissant les ex-reptiles et les Oiseaux) sont situés sur la même branche. - Sur l arbre de Cuénot, le chemin qui mène à l espèce humaine permet de récapituler les principaux caractères qu elle partage avec les autres espèces. - L emplacement des nœuds (= ancêtres communs) est identique. Différences : La position des branches : - Sur l arbre de Cuénot, les branches du haut sont occupées par l Homme et les espèces proches, considérées de facto comme les plus évoluées du monde vivant (en référence à l espèce humaine). - Sur le cladogramme, toutes les branches des espèces actuelles arrivent au même niveau : les espèces actuelles ne sont donc plus considérées comme plus ou moins «évoluées» mais situées à un même stade de l histoire évolutive du monde vivant. Ce sont les ancêtres communs de ces espèces qui se situent à un niveau plus ou moins éloigné dans le temps et dans l histoire évolutive. Comme en témoigne, par exemple, le cladogramme des Amoebozoa (= eucaryotes regroupant toutes les formes d Amibes et assimilées), les dichotomies et le nombre de branches pour reconstituer la phylogénie d une espèce d Amibe aboutissent à un arbre tout aussi complexe que celui de l Homme. Une espèce d Amibe actuelle est donc tout aussi «évoluée» que l espèce humaine. Département des publics 10/12
L arbre phylogénétique des Amoebozoa (d après Cavalier-Smith et al. 2004) Ancêtres communs et descendance : - Dans la classification de Cuénot, les relations généalogiques (= qui descend de qui?) impliquent qu un taxon constitue la descendance d un ancêtre situé plus bas sur l arbre (souvent ces ancêtres correspondaient à des fossiles connus). Exemple : «l Homme descend du singe» - Sur un arbre phylogénétique (= qui est plus proche parent de qui?), les ancêtres communs correspondent à des espèces hypothétiques. Les fossiles, comme les espèces actuelles, occupent l extrémité des branches et sont donc bien distincts des ancêtres. Exemple : «l Homme est un proche parent du Gorille» Liens de parenté : - Sur l arbre de Cuénot, en plus des liens généalogiques, sont également pris en compte des critères d adaptations ou écologiques sans rapport direct avec l apparentement. Par exemple, la branche qui mène aux Cétacés est bien rattachée à celles des Mammifères, au sommet de l arbre, mais elle présente une courbure descendante qui rapproche ces animaux des poissons, en raison de leur adaptation à un mode de vie aquatique. - Un arbre phylogénétique ne se base exclusivement que sur les liens de parenté entre les espèces. Département des publics 11/12
Lexique : - Arbre phylogénétique ou cladogramme : représentation schématique des liens de parenté entre des espèces. Chaque espèce est placée au sommet d une des branches de l arbre. Chaque branche d un arbre est définie par l apparition d un ou plusieurs caractères à l état dérivé et se rattache à un nœud. Un nœud représente l ancêtre commun hypothétique à plusieurs espèces. Un nœud est situé au point de séparation entre les espèces qui vont acquérir un nouveau caractère à l état dérivé et celles qui ne le possèderont jamais. - Caractère homologue : caractère commun à plusieurs espèces, hérité d un ancêtre commun, ayant la même origine embryonnaire, présentant le même plan d organisation (mais pouvant acquérir des formes et des fonctions variées) et établissant les mêmes connexions avec les structures voisines. - État ancestral d un caractère : état le plus ancien d un caractère homologue, défini d après les archives fossiles. - État dérivé d un caractère : état d un caractère homologue résultant de transformations d un caractère à l état ancestral, suite à des innovations génétiques apparues au cours du temps. - Groupe monophylétique : ensemble constitué d un ancêtre commun et de tous ses descendants. Références bibliographiques : CAVALIER-SMITH T., CHAO E.E. et OATES B. (2004) - Molecular phylogeny of Amoebozoa and the evolutionary significance of the unikont Phalansterium. - Eur. J. Protistol. 40:21-48. LECOINTRE G. et LE GUYADER H. (2006) Classification phylogénétique du vivant (3 e édition) Belin éd. Département des publics 12/12