Corrigé EVOLUTION ET CLASSIFICATION DU VIVANT Question 1 : les points communs qui font l unité des espèces vivantes D une façon générale, est vivant tout être organisé qui naît, se développe, se reproduit et meurt. Les êtres vivants sont composés de substances organiques (glucides, lipides, protéines, acides nucléiques, etc.), d'eau et de sels minéraux. Or, les composés organiques sont continuellement renouvelés (synthèse/dégradation) : les êtres vivants sont des " systèmes ouverts " qui échangent de la matière et de l énergie avec leur environnement. Les êtres vivants se distinguent donc des objets inanimés par des fonctions qui leur sont communes : nutrition, reproduction et relation. Chez les animaux et les plantes, chaque fonction a pour support un ou plusieurs organes, qui constituent alors un appareil (ou système). De plus, tous les êtres vivants sont formés de cellules : une seule (organismes unicellulaires) ou plusieurs (organismes pluricellulaires). L ensemble des activités cellulaires, qu elles soient métaboliques, osmotiques, ou mécaniques, consomme de l énergie, dont la fourniture est essentielle au fonctionnement de l organisme, donc à la vie. Les mitochondries jouent un rôle fondamental dans le catabolisme oxydatif aboutissant à la production d'une forme utilisable d'énergie, l'atp (adénosine triphosphate). 1. Les fonctions de nutrition correspondent à l ensemble des fonctions assurant l approvisionnement en matière et en énergie d un organisme, la métamorphose chimique de la substance absorbée, son assimilation et enfin l'élimination (le rejet de déchets). Elles assurent ainsi la pérennité de l individu et comportent notamment la respiration et la circulation. À l'intérieur de la cellule, dans les mitochondries se déroule la respiration cellulaire (ou oxydation) : O2+ nutriment donne CO2 + énergie + H2O. La cellule ne pouvant stocker d énergie, elle doit réaliser cette réaction en permanence. Cette énergie cellulaire (ATP) permet de réaliser des synthèses de matière dans la cellule (ex : avec des acides aminés, on fabrique des protéines). Cette énergie et cette matière sont prélevées dans le milieu. Du point de vue énergétique, on distingue deux grands types trophiques ("trophos"= "nourrir" en grec): les phototrophes qui utilisent l'énergie lumineuse (du soleil) pour réaliser leurs synthèses et les chimiotrophes qui utilisent l'énergie chimique de leurs aliments. Ces Frédéric Bourasseau Afadec Droits de reproduction réservés 1
aliments sont soit des minéraux (chimiolithotrophie), soit des substances organiques (chimioorganotrophie). Du point de vue de la matière consommée par un organisme, on parle d'autotrophe si l'organisme est capable de synthétiser sa propre matière organique à partir de matière minérale (végétaux chlorophylliens et bactéries photosynthétiques par exemple) et d'hétérotrophe s'il utilise les substances organiques du milieu pour synthétiser ses propres substances organiques (les animaux, l'homme par exemple). 2. Les fonctions de reproduction regroupent l ensemble des fonctions assurant la pérennité de l espèce. Les êtres vivants donnent naissance à des individus de la même espèce. Dans la plupart des espèces animales, on peut distinguer des mâles et des femelles. La reproduction des êtres vivants se réalise de manière sexuée (la production de cellules reproductrices puis la procréation permettent la naissance d un nouvel être vivant porteur des caractères de son espèce mais non identique à ses parents) ou asexuée (reproduction non sexuée au sens strict qui, par clonage naturel ou artificiel, donne naissance à un être identique). Chaque être vivant change au cours du temps et la croissance correspond à une augmentation irréversible des dimensions et du poids (de la masse). Ainsi le développement de la plupart des êtres vivants présente une succession de phases : naissance, développement et croissance, âge adulte, vieillissement, et surtout mort. 3. Les fonctions de relation permettent à un organisme d être informé sur son environnement et éventuellement de réagir et d agir sur lui. Les fonctions sensorielles assurent la réception des informations extérieures, des fonctions motrices permettent à l organisme d agir sur son environnement (voire de se déplacer comme la plupart des animaux). Même les plantes sont capables d utiliser des informations en provenance de l environnement, notamment certaines radiations lumineuses, certaines molécules volatiles et la pesanteur. Elles ont aussi une action sur leur environnement : l activité des racines modifie la structure et la composition des sols, et la production d oxygène par la photosynthèse a bouleversé durablement la composition de l atmosphère terrestre qui en était initialement dépourvue. Question 2 : protocole pour déterminer le(s) rôle(s) des plumes du Sinosauroptéryx 1. Quelques hypothèses : Ces plumes protègent le Sinosauroptéryx du froid, Ces plumes le protègent des chocs, Ces plumes lui permettent de voler, Ces plumes sont un camouflage pour ne pas être vu par les prédateurs, Frédéric Bourasseau Afadec Droits de reproduction réservés 2
Ces plumes servent à parader pour attirer le mâle ou la femelle, 2. Les deux dernières hypothèses ne sont pas vérifiables par expérimentation puisqu elles mettent en jeu le comportement d un individu vivant et ses relations avec d autres individus (de son espèce ou non). On peut choisir de vérifier l hypothèse suivante : «Ces plumes protègent le Sinosauroptéryx du froid.» 3. Matériel : - des plumes, les plus petites et fines possible, - deux thermomètres identiques, - deux sacs plastiques, - un lieu réfrigérant : un réfrigérateur (ou une glacière avec bac à glace), - une montre. Étapes de manipulation : - S assurer du bon fonctionnement des deux thermomètres : vérifier qu ils indiquent la même température ambiante. - Insérer le 1 er thermomètre dans un sac plastique. - Dans l autre sac plastique, placer le 2 ème thermomètre, puis entourer celui-ci avec les plumes (environ 3 cm d épaisseur). - Placer les deux sacs dans le réfrigérateur et fermer la porte. - Attendre 15 minutes. - Ouvrir le réfrigérateur, sortir les thermomètres de leur sac et consulter la température affichée par chacun. 4. manipulation 5. Observations et conclusion sur l hypothèse sélectionnée : si les deux températures sont identiques, les plumes ne protègent pas du froid ; si la température du deuxième thermomètre est supérieure à celle du premier thermomètre, les plumes protègent du froid. On aurait aussi pu vouloir vérifier l hypothèse «Ces plumes protègent le Sinosauroptéryx des chocs». Le protocole pourrait être le suivant (par exemple) : - Faire tomber un objet lourd (boule de pétanque, etc.) sur une galette de pâte à modeler, - faire tomber le même objet sur une autre galette de pâte à modeler préalablement recouverte de plumes (épaisseur 2 à 3 cm), Frédéric Bourasseau Afadec Droits de reproduction réservés 3
- comparer les deux marques d impact : si la marque de la deuxième galette est moins profonde que celle de la première galette, les plumes protègent des chocs. Question 3 : classification animale et évolution a) Titre Le document 3 peut avoir pour titre : «Qu'est-ce que classer?» ou «Classer pour expliquer l unité et la diversité du monde vivant». b) Qu est-ce que la classification phylogénétique des espèces? - Une espèce est un ensemble d animaux ou de végétaux qui ont le même aspect (critère de similitude) et qui peuvent se reproduire entre eux (critère d interfécondité). - Dans la classification actuelle des espèces, la classification phylogénétique, les regroupements opérés font état d'un ordre naturel reposant sur la phylogénie des espèces : on se demande «qui est plus proche de qui?». On regroupe les êtres vivants possédant un même ensemble de caractères présents (morphologiques ou anatomiques) en commençant par le caractère commun à tous. Ceux qui partagent un ou plusieurs caractères sont réunis dans un même groupe. Des sous-groupes peuvent exister : ils sont alors emboîtés. Le règne animal n est PLUS divisé en deux grands groupes : les animaux invertébrés et les animaux vertébrés. Il s agissait alors du tri «ceux qui n ont pas de vertèbres / ceux qui ont des vertèbres». Or, le fait de ne pas avoir de vertèbres ne dit rien sur ce qu ils ont, ni sur le degré de parenté de ces organismes. Des comparaisons de l anatomie d espèces très différentes sont instructives. Par exemple, la disposition des os des membres chez les mammifères (terrestres, marins et volants), les oiseaux, les lézards et les grenouilles permet de découvrir une même organisation d ensemble : tous les membres sont constitués des mêmes os aux mêmes emplacements. Ainsi, chez les animaux, les principaux changements entre l ancienne classification (dichotomique) et l actuelle (phylogénétique) sont la disparition du groupe des : - «invertébrés», trop hétérogène. Il est remplacé par des sous-groupes : les gastéropodes (escargots), les bivalves (moules), les céphalopodes (seiches), les insectes, les annélides (vers de terre), les échinodermes (étoiles de mer), etc. Le groupe des vertébrés, lui, existe toujours, ce sont les animaux qui ont une colonne vertébrale. - «poissons» (qui reste un terme culinaire), remplacé par les chondrichtyens (à squelette cartilagineux : raie, requin, ) et les ostéichtyens (à squelette osseux : carpe, morue, ). - «reptiles». L anatomie du crocodile se révèle être plus proche des oiseaux que des autres «ex-reptiles» ; beaucoup de reptiles fossiles sont plus proches des mammifères que des lézards. Cet ancien groupe est remplacé par les crocodiliens, les lézards, les tortues. Frédéric Bourasseau Afadec Droits de reproduction réservés 4
c) Lien entre classification phylogénétique et l évolution? Le principe de la théorie de l évolution est que le monde vivant a eu une origine unique et très ancienne (3,5 milliards d années) et que le monde vivant actuel est le résultat d une longue histoire, au cours de laquelle les espèces se sont transformées en donnant naissance à de nouvelles espèces. Les fossiles permettent de retrouver des structures communes entre des espèces disparues et des espèces actuelles. Toutes les espèces actuelles ont donc des relations de parenté : plus des espèces partagent de caractères, plus elles sont proches et plus leur ancêtre commun est proche aussi ; moins elles possèdent de caractères communs moins elles sont proches. Contrairement à la généalogie dans laquelle les ancêtres sont identifiés, en phylogénie les ancêtres sont hypothétiques. D un point de vue évolutif, les caractères exclusifs d un groupe ont été transmis par un même ancêtre commun. Cette classification traduit le degré de parenté entre les organismes, elle est fondée sur ce que l on sait du déroulement de l évolution biologique Frédéric Bourasseau Afadec Droits de reproduction réservés 5
Question 4 : classification «dix animaux» par inclusion / emboîtement. a) 7 caractères, 10 espèces animales Voici sept caractères observables sur les documents 4 et 5 : 1. plumes 2. pattes palmées 3. poils 4. sabots 5. nombre pair de sabots par patte en contact avec le sol 6. nombre impair de sabots par patte en contact avec le sol 7. crocs Frédéric Bourasseau Afadec Droits de reproduction réservés 6
On obtient donc : b) Que nous apprend ce classement sur l évolution de ces espèces? L apparition des caractères correspond à l existence d un ancêtre commun. Ce mode de représentation a pour intérêt de reconstituer le cours historique de l évolution de ces organismes. «Albatros, cygne et merle» partagent un ancêtre commun (A1) ayant le caractère 1 (plumes). «Albatros et cygne» partagent un ancêtre commun (A2) ayant le caractère 2 (pattes palmées). «Souris, lynx, loup, zèbre, rhinocéros, bélier, antilope» partagent un ancêtre commun (A3) ayant le caractère 3 (poils). «Zèbre, rhinocéros, bélier, antilope» partagent un ancêtre commun (A4) ayant le caractère 4 (sabots). «Zèbre et rhinocéros» partagent un ancêtre commun (A5) ayant le caractère 5 (un nombre impair de doigts par patte en contact avec le sol). «Bélier et antilope» partagent un ancêtre commun (A6) ayant le caractère 6 (un nombre pair de doigts par patte en contact avec le sol). «Lynx et loup» partagent un ancêtre commun (A7) ayant le caractère 7 (crocs = longues canines en forme de poignard). Toutes ces espèces sont apparentées et les caractères présents chez celles-ci témoignent de leur niveau de parenté dans l évolution : Frédéric Bourasseau Afadec Droits de reproduction réservés 7
- les diversifications des mammifères, d une part, et des oiseaux d autre part, sont postérieures à la diversification des vertébrés tétrapodes, - la diversification des ongulés est postérieure à l apparition des premiers mammifères. Frédéric Bourasseau Afadec Droits de reproduction réservés 8