Origine et évolution du monde vivant :
« Rien n’a de sens en biologie sauf la lumière de
l’évolution » Theodosius Dobzhansky (1973) »
Chapitre 1 qu’est-ce que l’évolution :
Introduction :
Paléontologie : indices de vie dans les roches les plus
anciennes, les fossiles, correspondent à des bactéries.
Champignons, animaux, arbres sont arrivé plus tard.On a des indices
de l'évolution partout.
Evolution : processus à l’origine de la transformation de
la vie. C’est le fondement de la biologie moderne.
Charles Darwin la défini comme la «descendance avec
modification ». Il disposait au milieu du XX s au mieux du
microscope !
Il a vu beaucoup de choses avec peu de moyens, et ses
affirmations se sont révélées véridiques : l’origine de
l’homme est africaine, l’origine de la vie était sur des petites
roches…
Evolution confirmée actuellement grâce à :
· L’analyse de l’ADN
· La datation des fossiles (on pensait au M-A que la terre avait
6000ans…)
· Le traitement informatique des données sur la diversité de la
vie. (entre 5 et 100 millions d’espèces, c’est dire si on ne sait
pas)
Attention aux fausses interprétations, l’évolution…
· N’est pas forcément un progrès régulier vers un but
particulier.
Ex : les grands singes n’ont pas vu grossir leur cerveau
parce qu’ils en avaient besoin.
· Ne rend pas la vie parfaite, les adaptations ont quand même
des défauts.
Ex : cerveau volumineux des humains rend la naissance plus
dangereuse pour la mère.
· modifie ce qui existe déjà (l’évolution bricole), nouvelle
forme sous forte contrainte
Ex : plume chez oiseaux permettaient la thermorégulation,
mais comme elle était légère, elle est devenu imp pour le vol.
· peut nous rendre vulnérable aux maladies : nombres limité
de mutations bénéfiques
Ex : africains portant la drépanocytose, l’hémoglobine
modifie, forme un bloc qui entraine la formation des globules
rouges en fossiles, mauvaise circulation dans les vaisseaux. Mais
certain étant hétérozygotes aide à lutter contre le paludisme (ne
peut pas rentrer dans les globules fossiles).
Etude de l’évolution peut aider à comprendre et traiter les
maladies.
A. La nature avant Darwin :
Cela ne fait que depuis 200 ans que nous réfléchissons en termes
d’évolution.
1) Le monde vivant immuable d’Aristote : (IVe av JC)
- Philosophe grec, à l’origine de la théorie du fixisme, les
individus naissent, se dévlpent et meurent sans évoluer.
- Fondateur de la zoologie
- Classe le monde vivant selon une échelle de complexification
graduelle « fruit de l’intelligence divine ». Il
considère l’homme comme un être à part doué de raison
*** Puis divise le monde animal en animaux sanguin et non
sanguins. *** Il pose la théorie du vitalisme : quelque chose anime
les êtres vivants, un genre de force vitale.
- Théorie de la génération spontanée : la vie nait de la
matière inerte.
2) Théophraste :
Père de la botanique, élève d’Aristote, dresse un inventaire du
monde vivant : Histoire des plantes et Recherche sur les
plantes. Classe les espèces végétales : en arbre, arbustes,
arbrisseaux et herbes.
Pose également les fondements de la médecine et de la pharmacie.
Première classification des plantes médicinales selon leur usage
dans le Traité des plantes.
3) Un langage universel pour classer le vivant : Carl von
Linné, (18e siècle) botaniste suédois, établi une classification
hiérarchique des êtres vivants avec l’espèce en unité de base du
monde vivant. - Il écrit Systema Naturae.
- Théologien ; c’est un fixiste résolu dont la
classification reflète l’œuvre divine où l’homme est
l’aboutissement ultime de la création divine. Il est fortement
imprimé par les notions de religions.
- Généralise la dénomination binomiale : 2 noms de genre et
d’espèce en latins par être vivant : langage universel.
4) La génération spontanée : une idée qui dure :
Référence exclusive du monde occidental de l’Antiquité à la
Renaissance. S’accorde avec les dogmes de l’église
catholique : volonté créatrice d’ordre divin.
Selon une croyance égyptienne, les crocodiles naissent de la
boue chaude du Nil, les premiers animaux proviennent de la vase
marine desséché par le soleil.
Mieux ! Médecin et chimiste, Jean-Baptiste Van Helmont
explique comment créer des souris. Prendre une jarre, mettre une
chemise sale (de femme c’est encore mieux) et des graines et au
bout de 21 jours on a des souris…
5) Contesté par Pasteur et d’autres :
Encore en 1842, le biologiste Félix Pouchet affirme que des
organismes végétaux ou animaux microscopique peuvent naitre
spontanément dans l’air. Grace à ses expérience de stérilisation en
labo, Louis Pasteur démontre que la vie ne peut surgir spontanément
de l’inanimé. (Expérience avec un ballon en col de cygne l’air
passe mais pas les particules.)
B. L’évolution entre en scène :
1) Lamarck et le transformisme.
- Naturaliste français ; pose les bases de la
transformation des espèces- invente le mot Biologie- publie une
flore française, rédige philosophie zoologique mettant en cause le
dogme de la fixité des espèces mais postule sur l’hérédité des
caractères acquis (erreur)
-Il dit que la girafe va tirer de plus en plus pour allonger son
cou pour manger ce qu’il y a en hauteur, il dit que ce caractère
est héréditaire (faux) un sportif ne transmet pas ses muscles à ses
enfants.
A l’époque aucune notion des gènes et de l’ADN.- « Le
fonction crée l’organe »
2) La théorie de l’évolution selon Darwin :
« De l’origine des espèces » qui annonce la biologie
moderne. Selon sa théorie, l’ensemble des espèces vivantes
actuelles se sont formées à partir d’un ancêtre commun. Ces espèces
se transforment ou il y a descendance avec modifications. Ces
modifications sont dues à la sélection naturelle.
Charles Darwin embarque comme naturaliste sur le HMS Beafle, il
collecte des échantillons concernant la botanique, la zoologie et
la géologie.
Darwin observe sur les iles Galápagos, chez les
pinsons :
· des similarités entre les espèces
· une ascendance commune
· Une origine continentale
· une transformation liée à une adaptation au régime
alimentaire.
Diversification et création d’espèce par isolement
géographique.
Darwin déduit pour les individus d’une même espèce :
- Une forte variabilité héréditaire entre les individus d’une
même espèce résulte du hasard et est transmissible à la
descendance. Il n’a pas connaissance des travaux de Mendel (qui
aurait pu prouver ses dires)
- Une compétition permanente pour l’accès aux ressources.
- Pression exercée par la sélection naturelle qui tire les
individus aux caractères avantageux, ils laissent plus de
descendants et augmente en nombre : une nouvelle espèce peut
apparaitre. (Ex des papillons noir et blanc)
Darwin VS Lamarck
Pour Darwin, présence dans la population de girafes d’individu
naissent avec des petites ≠ dans la longueur du coup. Individu à
cou court disparaissent, er individu à cou long, mieux nourri,
meilleur succès reproductif, (=selection)
3) Apport de la génétique au XX : la théorie
synthétique de l’évolution ou néodarwinisme:
A partir de 1940, La théorie Darwinienne intègre l’hérédité
mendélienne et la génétique des populations.
Mutation et recombinaison génétique de l’ADN, support de
l’hérédité (Avery 1944) et structure élucidé (Watson Crick et
franklin)
La sélection naturelle reste le moteur principal :
diffusion des gènes mutés avantageux ou disparition si la mutation
est néfaste.
Dérive génétique, fréquence d’un allèle variable selon la taille
de la population.
4) Aujourd’hui le concept Evo-Dévo :
Découverte des gènes homéotiques « architecte
moléculaire » régissent les plans d’organisation dans tout le
vivant. (Edward Lewis)
Nouvelle approche de la théorie de l’évolution qui ajoute la
génétique du développement.
Système HOM Hox, apparut il y a 500 million d’années, premiers
animaux mais équivalent chez les méduses, les plantes. (MADS-Box).
Chaque gène va régir une partie de l’animal. Ces gènes de
développement viennent confirmer la théorie de l’évolution.
C. Une preuve de l’évolution : les baleines
1) les cétacés
Baleines, dauphins et orques ont la forme de poissons et une
absence apparente de pattes et de poils
Pourtant ce ne sont pas des poissons, doivent remonter pour
respirer de l’air en surface par un évent.
Il se propulse grâce aux mouvements horizontaux de leur nageoire
caudale, les petits boivent le lait de leur mère.
Ce sont bien des mammifères, Darwin a dit le premier qu’ils
descendent de mammifères terrestre.
Les fossiles et l’ADN
2) Remontons l’évolution pour la découverte récente des
fossiles :
Basilosaurus, (18m)(40 Ma) en 1983 en Egypte, baleine à pattes
aquatique
Rhodocetus, (3m 47 Ma) en 2001 au Pakistan baleineaux capable de
ramper comme un phoque
AMbulocétus, 4m 48 Ma au Pakistan en 1992, baleine qui marche
avec sabots au bout des doigts
Pakicétus 50 Ma 2m en 1979, au Pakistan
en 1990, le séquençage de l’ADN des baleines les rapprochent des
hipo.
Confirmé en 2007 par proche parenté de Pakicétus avec un nouveau
fossile Indohyus.
3) conclusion
Les baleines ne sont pas apparues brusquement par magie. Elles
sont le produit d’une longue histoire évolutive à partir d’ancêtres
terrestres.
Diagramme montre comment les fossiles sont reliés aux espèces
actuelles.
______________________________________________________________________________________
Chapitre 2 : L’histoire du vivant
En inventant le mot biologie, Lamarck fait bien la distinction
entre le vivant et l’inerte.
Qu’est-ce qu’être vivant ?
Défini : par ce qu’il est, structures (principes de la
systématique) et non par ce qu’il fait, fonctions (qu’est-ce qu’un
être vivant)
- système autonome et réplicatif
- selon la NASA, c’est un système chimique autonome capable de
suivre une évolution darwinienne
Virus et Prions (protéine possédant une information) n’obéissent
pas à cette définition car incapables d’autonomie
réplicative : doivent infecter obligatoirement des cellules.
Débat parmi les biologistes.
Et si on définissait le vivant par les structures minimales lui
fournissant des capacités évolutives, les protéines :
· constituées d’acides aminés polymérisables en milieu
abiotique
· adoptent une structure tridimensionnelle précise et variable,
la pro globulaire.
· peuvent transmettre leur conformation par contact à une
protéine semblable, cas des prions. Donc capable de transmettre de
l’information.
Variation et transmission sont 2 propriétés source de la
sélection.
Nouvelle définition : Un être vivant est alors une entité
constitué au minimum de pro globulaires.
Donc, inclusion des Virus.
A. Le temps des origines :
1) L’approche scientifique des origines de la vie
Jusqu’au XIXs la théorie du vitalisme domine (pour qu’il y ait
la vie il faut un principe vital) : composés organiques
impossible à fabriquer à partir de composés minéraux.
En 1828, chimiste Allemand Friedrich Wöhler réussit la synthèse
de l’urée à partir du sel de cyanure.
En 1871, Charles Darwin émet l’hypothèse de la formation d’un
organisme primordial qui à dut se faire à partir d’éléments
chimiques simple associés à des sources d’énergie dans de petites
marres chaudes.
En 1924-1929, le biochimiste russe Alexander Oparin et le
généticien Anglais, JBS Haldane proposent le scénario de la soupe
primitive :
· à cette époque, on a une atmosphère réductrice favorable à la
formation de molécules organique à partir de simples molécules.
· énergie apporté par la foudre et les UV (pas de couche d’ozone
pour la protection).
· Océan primitif, soupe de composés organique favorable à
l’apparition de la vie.
Oparin va jusqu’à se demander ce qu’il y a dans le vivant, il
faut avoir quelque chose qui délimite le vivant de l’environnement.
Il obtient des coacervats (petites sphères), capable de retenir des
molécules à l’intérieur, et mimant les premières membranes.
En 1957, Sydney Fox, obtient des protéinoïdes par chauffage dans
l’eau bouillant d’un mélange d’un acide aminé.
En refroidissant, les polymères se précipitent sous la forme de
microsphères nommées protocellules, elles sont capables de
bourgeonnement.
1953, Stanley Miller reste le pionnier de la chimie pré biotique
en réussissant la première synthèse d’acide organique et surtout
d’acide aminé.
Confirmé en 2008 avec la découverte de 17 nouveaux acides
aminés.
Pb de l’œuf et de la poule :
Protéines incapable d’autoréplication et codées par les acides
nucléiques.
Et si les acides nucléiques étaient les supports de l’émergence
de la vie ?
Découverte en 1980 d’ARN doués de pouvoir catalytique
· Hypothèse du monde ARN par le microbiologiste Carl Woese et le
biochimiste Walter Gilber dans les annés 1980. Il disent même que
l’arn aurai donné ses fonctions catalytique aux pro et sa fonction
d’info à l’ADN car il est plus stable avec le OH en moins.
Conclu : ARN à la fois support de l’info et capable de
catalyser des réactions enzymatiques : ribozymes.
2) Le contexte des origines de la vie
Depuis le Big Bang ; l’âge de l’univers est de 13,8
Ga :
· preuve par le rayonnement fossile découvert en 1965 par Arno
Penzias et Robert Wilson
· confirmé récemment par le satellite Planck.
A 4,6 Ga nait notre système solaire d’un amas de poussière et de
gaz, la nébuleuse primitive qui s’est effondrée et a pris la forme
d’un disque :
· au centre, une étoile, le soleil
· en périphérie, les planètes sont formées par agglomération de
matériaux du disque
Bombardement météoritique les premiers 500 Ma.
Collision Terre avec une météorite Théia :
· perte de l’atmosphère et de l’eau initiales
· formation de la lune (elle est constituée de la croute
terrestre)
Terre, boule incandescente :
· en profondeur, noyau d’éléments lourds, nickel et fer
· en surface, croute d’éléments légers, silicium, aluminium,
magnésium et gaz.
Plus ancienne roche : zircon, trouvé à Jack Hills
(australie) de 4,4 Ga. Preuve de contact avec eau liquide.
Reconstitution atmosphère et eau à partir des impacteurs
(météorites et comètes) et dégazage des volcans.
Formation précoce des océans (zircons) suite au refroidissement
et condensation de l’eau vapeur (pluies en 400 à 700 ans.
Origine de l’eau plutôt météoritique que cométaire (analyse D/H
par Rosetta).
Conclusion : Eau liquide (indispensable à la vie) sur Terre
car bonne taille (gravité suffisante pour retenir atmosphère) et
bonne distance au soleil.
3) d’où vient la vie ?
Reste un mystère.
Plus anciens marqueurs isotopiques : Isua (groenland) à 3,8
Ga mais doutes ?
Non ambigus : North pole, Pilbara (australie) à 3,5 Ga
associés à des stromatolithes (voiles bactériens) mais bactéries
difficile à identifier.
Premiers fossiles bactèriens : Barbeton (Afrique du sud) à
3,2 Ga.
Fossiles moléculaires (lipides) à 2,15 Ga
Conclusion : apparition précoce de la vie
a. Hypothèse de la panspermie
Origine extraterrestre de la vie ?
Scenario proposé au début du XX s par Lord Kelvin et Svante
Arrhenius.
Relancé en 1960-1970, suite à la collection de météorites issues
des pôles et riche en glycine, alanine, adénine et acide
malique.
La terre reçoit encore 10 000 T par an de
micrométéorites.
b. Les sources hydrothermales
En 1977, mission Famous d’exploration sous-marine de la dorsale
médio-atlantique. Découverte d’une profusion de vie : poisson,
crustacés et vers géants.
Oasis de vie dans des conditions inhabituelles
Mise en évidence de colonies bactériennes associées aux fumeurs
noirs d’un nouveau type, les Archées
c. Les intra terrestres :
Découverte d’une biosphère bactérienne dans :
· des sédiments de l’océan pacifique
· lacs en antarctique
· dans la croute terrestre (2800m prof)
Conclusion : extension du champ des possibles pour la
vie.
4) La quête du plus vieil ancêtre commun
« Nous devons admettre que tous les êtres organisés qui
vivent ou on vécut sur terre descendent d’une seule forme
primordiale » 1859 Charles Darwin
Quête de la « bactérie ancestrale » qui se poursuit
actuellement selon 3 axes :
· retrouver les premières traces de la vie dans les roches
anciennes
· reproduire une cellule vivante en labo dans les conditions de
la terre primitive (biologie de synthèse)
· détecter la présence d’une vie extraterrestre
(exobiologie)
LUCA ou Last Universal Common Ancestor, dernier ancêtre commun
universel ou cénancêtre à tous les êtres vivants actuels.
Ne pas confondre avec les premières cellules apparue bien
avant
En 2004, découverte d’un virus géant Mimivirus, ayant des
caractéristiques bactériennes puis Mamavirus, Marseillevirus,
ect…
En 2013 et 2014, super géants Pandoravirus et Pithovirus
(Sibérie)
· 4ème branche du vivant
B. Epanouissement de la vie
Les premiers organismes :
· apparus dans une atmosphère sans O
· Ont utilisé le soleil pour convertir eau et dioxyde de carbone
en sucres grâce aux pigments photosynthétiques
· Ont libéré un déchet nocif au début puis a été incorporé dans
le métabolisme : Oxygène
1) Ange et Démon :
Production d’O :
· modifie la composition de l’océan il y a 3,5 Ga, précipitation
du fer ferreux en fer ferrique
Accumulation de couches rouges sur de grandes épaisseurs, ce
sont les BIF, formation de fers rubanés.
L’océan est devenu limpide, la photosynthèse en profondeur d’où
accélération de la production d’O.
· Modifie la composition de l’atmosphère il y a 3,2 Ga.
Quand tout le fera précipiter :
· dissolution de l’O dans l’eau
· passage dans l’atmosphère
· formation de la couche d’ozone O3 en haute
Atmosphère qui capte les UV agressifs rendant la colonisation
terrestre possible. Le ciel est passé de marron-orange à bleu
Crise du vivant il y a 2 Ga :
Soit refuge dans des habitats anaérobies (sédiments, eau
stagnante)
Soit sélection des bactéries capables de dégrader des substances
nutritives par des substances nutritives par des mécanismes
oxydatifs
Teneur en O2 atmosphérique actuelle atteinte il y a 600 Ma
2) Les cyanobactéries dominent le monde
Premiers organismes vivants photosynthétiques larguent de l’O2
mais captent du CO2 d’où déséquilibre chimique dans
l’environnement.
· dépôts de calcaire : stromatolithes, concrétions en
chou-fleur mêlant couches de CaCO3 et tapis de filaments
bactériens, la cyanobactérie.
Conduit à :
· une désafication des océans
· une diminution du CO2 atmosphérique provocant une baisse de la
température terrestre jusqu’à -50°C : période critique de
« Terre boule de neige » (4 fois dont la 1ère entre 2,4
et 2,1 Ga)
3) L’avènement des eucaryotes :
Accroissement en oxygène a provoqué une nouvelle explosion de
vie, premiers organismes eucaryotes :
· Adn contenu dans un noyau
· métabolisme plus complexe
· issu de la phagocytose de bactéries par une Ȼ hôte
primitive
En 1970, Lynn Margulis propose la théorie
endosymbiotique :
Mitochondries proviendraient de l’endocytose de
protéobactérie
Chloroplastes proviendraient de l’endocytose des
cyanobactéries.
4) L’explosion de la vie pluricellulaire:
En 2010, découverte étonnante d’êtres multicellulaire à
Franceville (Gabon) datant de 2,1 Ga.
Si confirmé, recul d’1,5 Ga l’émergence de formes de vie
complexe.
Premiers organismes pluriȻ trouvé dans des roches sédimentaires
à Ediacara en Australie datant de 600 Ma,
Faune d’Ediacara :
· organismes mou, sans coquille ni squelette
· formes de disques, tubes, sacs molletonnés
· connue dans 50 sites dans le monde
· sans descendance ? biais d’archive fossiles ?
A 530Ma, brusque augmentation des espèces : explosion
cambrienne. Faune marine découverte dans les schistes de Burgess en
Colombie-Britannique (Canada) au début du XXème siècle.
Retrouvée en Chine (faune de Chengjiang), Groenland,
Australie
Faune de Burgess caractérisée par :
· Grande diversification et complexification
· Stratégies de prédation/défense : animaux à coquille,
carapaces etc
· Apparition de nombreux plans anatomiques
· à l’origine des groupes d’animaux actuels, ne découle que de
quelque plans de cette faune
Pourquoi un tel succès :
Biominéralisation (construction coquilles squelette) exige de
l’énergie puisée à partir des réactions oxydatives
Rendu possible à 10% d’O2, taux atteint à 500 Ma
5) La diversification de la vie,
A 500 Ma, les 1ères espèces de vertébrés : animaux
cartilagineux dépourvus de mâchoires et de dents
A 440 Ma, poissons osseux à mâchoires
Conclusion : les évènements importants de la vie se sont
déroulé dans l’eau, 9/10 de son histoire de 3,8 Ga
Etape nouvelle : installation de la vie sur les
continents
A 500 Ma, lichen et mousses sont les premières à s’installer sur
terre
L’eau ne circule pas dans les tissus mais les imprègne, ce sont
plus de éponges.
Annonce la colonisation par les animaux qui en dépendent
Vers 470 -460 Ma, extension des végétaux sur les continents
Sans vaisseaux conducteurs au départ, puis acquisition vers 450
Ma, formes ligneuses, plantes à tiges s’élèvent
À 430 M, arthropodes (acariens, araignées, scorpion) sur terre.
Carapace permettant de résister aux rayonnements solaires (couche
d’ozone n’est pas totalement formée)
Après cette période de relief importants (chaine calédonienne en
Ecosse, Bretagne et ardène), la terre retrouve une forme lisse et
plate vers 400 Ma. (L’eau peut monter plus haut)
Les eaux envahissent les continents et laissent des flaques qui
s’assèchent.
· adaptation au milieu aérien (protopoumon)
A 400-395 Ma, forets de 10m de haut s’étendent sur les
continents constituées de lycopodes
Vertébrés tétrapodes s’installent après les plantes
(nourriture)
Nombreuses adaptation pour les plantes et animaux :
· respiration (stomates, poumons)
· gestion de l’eau (cuticule, écaille)
· pesanteur (vacuoles d’eau exerçant une pression sur les
parois, cage thoraciques et membres)
« Sortie des eaux » (attention) des animaux en fait
amorcé en milieu aquatique encombré (mangroves) et pauvres en O
(marécages chauds)
Installation sur la terre ferme, les premiers amphibiens dont
les descendants actuels, grenouilles et salamandres. Mode de vie
toujours lié à l’eau.
A 310 Ma, leur descendant, les reptiles se répandent sur les
continents et résistent aux climats arides.
Innovation : l’œuf (amnios) à coquille ou pas (utérus),
permettant de s’affranchir de l’eau pour la reproduction et de
s’aventurer en milieu terrestre.
Vers 210 Ma, indépendance totale du milieu aquatique et prémices
de la thermorégulation : les reptiles mammaliens ou
thérapsides.
Cout énergétique élevé pour maintenir la température interne
mais capacité d’acclimatations exceptionnelles. (Apparition des
poils et plumes, qui sont plus adapté que les écailles pour la
thermorégulation)
Groupe disparait à la fin du Trias.
« ère des reptiles » dont dinosaures, grands reptiles
marins : grande taille mais bcp d’animaux de taille
modeste.
Dvp des plantes à fleurs (angiospermes)
· multiplication des insectes pollinisateurs bouleversement des
écosystèmes
A 65 millions d’années, toutes les espèces ayant évolué vers le
gigantisme disparaissent ; Fin du crétacé
A partir de 65 Ma (Cénozoïque), diversification des oiseaux et
des mammifères qui colonisent tous les écosystèmes avec retour à
une vie aquatique pour certains (baleines, pingouins)
Verdissement des paysages (herbe) à 40 Ma.
Puis apparition des primates et d’un groupe de singes
bipèdes
(Darwinius, fossile de lémurien à Messel, Allmagne)
Conclusion : Y a-t-il eu progrès depuis l’origine de la
vie ? NON !
L’évolution biologique n’est pas synonyme de progrès mais plutôt
le résultat de la survie et de la reproduction des individus les
mieux adaptés aux conditions du moment et de l’endroit.
« Le progrès est une illusion reposant sur un préjugé
social et un espoir psychologique » Stephen Jay Gould
_____________________________________________________
Chapitre 3 : L’arbre de la vie
La systématique a pour objectif de classer les espèces, la
description, la dénomination des êtres vivants. Permet l’étude de
la diversité du monde vivant.
Prend en compte un ensemble de caractères héritables :
· visibles, critères anatomiques ; embryologie et
morphologiques
· non visibles, séquence d’ADN, d’ARN, des protéines
S’ajoutent les données paléontologiques.
Progrès récents avec le séquençage du génome
Espèces actuelles dérivent d’espèces ancêtres disparues mais la
généalogie ne nous est pas accessible (qui descend de qui ?)
Par cotre l’étude des relations de parentés entre les êtres vivants
(qui est plus proche de qui ?) est possible : c’est la
phylogénie.
A. Principe de la classification phylogénétique :
1) Analogie et homologie :
Exemple d’analogie, nageoire caudale de la sardine et du
cachalot :
Ces 2 espèces ont-elles hérité du caractère « nageoire
caudale » d’un ancêtre commun ?
D’autres critères morpho-anatomiques (squelette, cerveau,
appareils respiratoires et circulatoires) démontrent que ces
espèces sont en fait très éloignées (confirmé de nos jours par
l’ADN). Les baleines ont eu des ancêtres communs à pattes qui sont
retourné en milieu aquatique.
Conclusion : les nageoires des baleines et de la sardine
sont analogue, elles se ressemblent, mais pas à cause d’un ancêtre
commun.
Erreurs commises par les premiers systématiciens qui
ont :
· regroupé des espèces se ressemblant morpho-anatomiquement
· considéré comme éloignées des espèces proche génétiquement
(pourtant d’aspect très distinct)
Pas connaissance de l’ADN Daman, plus proche parent de
l’éléphant
Exemple d’homologie, le membre locomoteur des
tétrapodes :
Aspect et fonction distinctes et pourtant exactement même
structure, os pour os, liée à une ascendance commune.
2) construction d’un arbre phylogénétique actuel
Appelée aussi cladistique, due à Willi Hennig, biologiste
allemand (1913 -1976), a émis la notion d’homologie
La recherche d’homologie est le principe de base de la
classification phylogénétique.
S’intéresser à des caractères et y déceler des homologies
en :
· repérant les connexions morpho-anatomiques (même sur les
fossiles)
· observant le dvp embryonnaire
· alignant les séquences d’ADN (phylogénéique moléculaire)
embryons
Un caractère peut exister sous plusieurs états :
· ancestral (état plésiomorphe)
· dérivé (état apomorphe)
Exemple du passage du bourgeon dermique de l’état ancestral
« écaille » à l’état dérivé « plume »
Selon Hennig, on se sert de l’état dérivé du caractère appelé
caractère dérivé partagé ou synapomorphie et du partage de cet état
pour :
· établir des relations de parenté
· déterminer l’ancêtre hypothétique
Un arbre se lit verticalement, de bas en haut, en termes de
« qui est plus proche de qui » en fonction de la
profondeur du nœud
Feuilles= taxon, espèces actuelles ou fossiles
Nœuds = ancêtres hypothétique, portrait robots
Branches= transition évolutives, état dérivé de caractères
homologues
A chaque bifurcation, on attribue à chacun des deux groupes
frères un même niveau hiérarchique (classe, sous classes, infra
classes…)
Tend à être abandonner au profit des taxons uniquement
Après avoir formulé des hypothèses d’homologie sur des
caractères, on construit tous les arbres possibles.
On ne retient que celui qui présente le plus petit nombre
d’étapes évolutives : principe de parcimonie.
3) Groupes définis par un arbres phylogénétique :
Groupe paraphylétique : comprend qu’une partie des
descendants (les reptiles)
Groupe polyphylétique : pas d’ancêtre commun (les
protistes, les poissons)
B. Les mécanismes de l’évolution
Darwin défend 2 grandes thèses :
· fondes l’unité et la diversité du vivant sur l’évolution
· explique l’évolution par l’adaptation soumise à la sélection
naturelle
1) Sélection naturelle et adaptation
Individus qui survivent et se reproduisent le mieux sont ceux
qui possèdent les variants qui les avantages le plus dans leur
milieu.
Tri réalisé sur des variants issus de 2 processus
aléatoires :
- Mutations au niveau de l’ADN
Recombinaison des allèles liée à la reproduction sexuée
· Différences héréditaires dans le patrimoine génétique des
individus
La sélection naturelle augmente l’adaptation des populations à
leur environnement. (Le vert est avantageux sur des feuilles mais
pas sur un sol brun. L’avantage procuré par un variant dépend du
milieu.)
2) théorie de la reine rouge
L’adaptation prend en compte le milieu mais également les
interactions avec les autres organismes vivant (co-évolution), les
espèces influent les unes sur les autres.
Exemple de co-évolution :
· prédateur/ proie : course aux armements
· Fleur/insecte : pollinisation
Les espèces sont toujours en train de s’adapter pour répondre à
l’adaptation des espèces qui les entourent.
Course sans fin à l’adaptation pour survivre et rester à la même
place, dans leur environnement : hypothèse de la reine
rouge.
Allusion au roman de Lewis Carrol où Alice est entrainé dans une
course effrénée par la reine rouge et constate que le paysage ne
bouge pas. Pareil pour les animaux, ils évoluent juste pour se
maintenir.
Complexification du vivant est le fruit d’une course à la survie
mais elle ne rend pas les espèces supérieures par rapport aux
autres.
Relation linéaire entre le temps de survie d’une espèce et
nombre d’espèce.
· Taux d’extinction constant Durée d’existence d’un taxon ;
1 à 2 Ma (homme 2 Ma)
3) La sélection sexuelle
En dehors de la survie (sélection naturelle), une autre
sélection peut s’opérer uniquement chez les animaux se reproduisant
de manière sexuée : l’accès aux partenaires de sexe opposé ou
sélection naturelle.
Une des raisons qui fait que les espèces ne sont pas
parfaitement adaptées au milieu.
Adaptation est une sorte de compromis entre les deux
selections.
4) Dérive génétique :
Sélection naturelle trie les variant avantageux et pas les
variant neutres. Un individu peut porter 2 versions d’un même
gène : allèles.
Allèle identique => homozygote Allèle ≠ =>
hétérozygote
Ȼ sexuelles portent un allèle (variant) du gène.
Lors de la reproduction sexué, transmission au hasard qui fait
varier la fréquence des variants neutres dans la population :
dérive génétiques. Elle influe d’autant plus quand elle concerne de
petites populations.
Plus on est nombreux, moins on dérive
Ou plus la population est petite, plus l’ampleur du phénomène
est grande et l’évolution rapide
Par exemple, effet d’étranglement d’une population suite à une
épidémie ou un ouragan
Ça va homogénéiser les caractères.
Conclusion : Un caractère qui présente de la variation
évolue toujours :
· soit par sélection naturelle si variant plus ou moins
avantageux.
· soit pas dérive génétique si neutres.
· soit par sélection sexuelle.
· Une espèce évolue constamment
Les changements adaptatifs concerneraient les populations
d’individus (microévolution) mais n’explique pas l’origine des
nouvelles espèces (macroévolution).
C. Comment se forment les nouvelles espèces :
1) Concept d’espèce, difficile à définir ;
Depuis Ernst Mayr, l’espèce est un ensemble de pop dont les
individus peuvent naturellement se reproduire en donnant des
descendants viables et fertiles.
En fait, les espèces sont des catégories créées par nous.
Dans la nature, il n’y a pas d’espèces mais des barrières à la
reproduction dont on se sert pour constituer des espèces
(contenant).
En systématique moderne, on ne confond plus contenant et
contenue :
Dans la nature, il n’apparait spontanément que des barrières à
la reproduction, pas des espèces en tant que contenant.
2) Modes de spéciation
Pour qu’une nouvelle espèce se forme (spéciation), il faut donc
qu’il se mette en place une barrière empêchant la reproduction avec
d’autres individus (isolement reproductif)
Deux voies empruntées par la spéciation :
Anagenèse : accumulation de changements héréditaires qui
modifient les caractères d’une espèce.
Cladogenèse, une nouvelle espèce émerge d’une population mère.
Avec ce processus, on créé la diversité (alors qu’avec l’autre on
la maintient)
On distingue 4 types de spéciation :
· allopatrique, la plus fréquente, résulte d’un isolement
géographique (spéciation vicariante)
· périparique, migration d’un petit nombre d’individus, effet
fondateur.
· parapatrique, pop non complétement isolé, hybrides de
contact.
· sympatrisue, isolement dû à des facteurs génétiques ou
comportementaux.
3) Extinctions massives et radiations adaptatives
Au cours de l’histoire de notre planète, la vie est passée par
une 20aine de crises biologiques, dont 5 extinctions massives
« Big Five »
Fin du Permien (225 Ma), la plus massive : disparition 90%
des espèces
· bouleversements des écosystèmes, libération des niches
écologique (volcanisme important).
Fin du crétacé (65 Ma), la plus médiatique : disparition
des dinosaures (volcanisme et météorite)
· développement des mammifères : radiation adaptive.
4) Rythme de la spéciation
L’évolution procèderai non pas graduellement (gradualisme) mais
de manière discontinue : bouffées soudaines d’intense activité
évolutive, séparées par de longues périodes de stabilité.
En 1972, Stephen Jay Gould et Niles Eldredge développement de la
théorie des équilibres ponctués.
5) Contingence et décimation :
Contingence : événement qui a lieu mais qui aurait pu ne
pas avoir lieu, sorte de hasard
Sélection naturelle importante mais également rôle du
hasard.
Extinction de masse où contingence (accidents et hasard) a un
rôle dans la diversification des espèces
Notions développée dans les années 1980 par S.J. Gould et
Richard Lewontin qui permet :
· d’éclairer la disparition d’espèces complexes et parfaitement
adaptées (faune de Burgess)
· de revoir la vision stéréotypée de l’évolution des organismes
allant d plus simple au plus complexe.
D’après Gould, élimination aléatoire a dû jouer un rôle
déterminant dans le monde vivant : décimation
· caractère aléatoire de la survie ou élimination d’une
espèce
Conclusion : pour nous-même, et si Pikaïa n’avait pas
survécu ?
_________________________________________________________________
Chapitre 4 : Apports du point de vue évolutionniste
Enseigner la biologie de l’évolution ne complique pas la
biologie mais au contraire la simplifie et surtout donne une
logique.
Connaitre l’évolution biologique, connaitre l’histoire de la vie
permet d’avoir une certaine logique dans la prévention des maladies
futures (médecines évolutionnistes)
A. L’origine de notre propre espèce
Visions erronées :
· de la marche au progrès de l’homme
· l’homme descend du singe
L’homme est cousin des grands singes : dernier ancêtre
commun (DAC) a évolué en un buisson d’espèces.
1) Place de l’homme dans le règne animal :
L’homme est un primate (pouce opposable permet d’avoir l’effet
de pince)
Groupe de mammifères apparue il y a 55 Ma.
L’homme est un singe de l’ancien monde (Afrique et Asie) qui ne
possède pas de queue longue (brachiation), vivant plutôt au
sol.
Fait partie des grands singes : gibbon, orang-outan,
gorille, chimpanzé et l’Homme
2) De Toumaï à l’homme moderne
Chimpanzés, nos plus proches parents ; 99% des gènes
identiques mais flou divergence gorille/chimpanzés/lignée humaine
car rareté fossiles.
En 2001, découverte au Tchad de Toumaï, 6 à 7 Ma. ( Crâne
fossile de primate. Il a conduit à la définition d'une nouvelle
espèce, Sahelanthropus tchadensis, que certains paléoanthropologues
considèrent comme l'une des premières espèces de la lignée
humaine.)
Dans la lignée humaine, il y a aussi les
australopithèques :
En 1924, Raymond Dart. identifie le crâne de l’enfant de Taung
et donne le nom de singe de l’Afrique du sud.
Australopithécus
Depuis, découverte d’une vingtaine d’hominidés dont en 1974 en
Ethiopie, Lucy datant de 3,2 Ma.
Lucy (australopithecus afarensis).
Homo habilis, premier Homme indiscutable découvert en Tanzanie,
vécu entre 2,4 et 1, 6 Ma fabrique des outils à partir de
galets.
Homo ergaster, apparu il y a 1,9 Ma,, bipède, excellent
marcheur. Conquiert l’Afrique, l’Europe et l’Asie
Donne naissance à :
· Homo erectus en Asie
· Homo Heidelbergensis en Europe qui donnera naissance à homo
neanderthalensis. il y a 300 000 ans.
Tous disparaissent sauf hommes de cro-Magnon (homo sapiens) qui
se différencient d’Homo ergaster en Afrique de l’est il y a
150 000 ans. L’ensemble de l’humanité descend de ces hommes
qui ont rencontré l’homme de Neandertal : preuve d’un
métissage car 2% de similitudes dans notre génome.
B. La médecine évolutionniste :
L’homme n’est pas l’aboutissement de l’évolution, pas forcément
le mieux adapté à son environnement
1) Qu’est-ce la médecine évolutionniste ?
Comprendre le fait médical à travers l’évolution biologique.
Elle concerne tout ce qui résulte du conflit entre notre génome
façonné durant des millions d’années et l’environnement actuel
modifié par l’homme de manière :
· bénéfique : suppression des famines, augmentation de
l’espérance de vie
· délétère : pollution, suralimentation, réchauffement
climatique
Le génotype : réponse de l’individu à son environnement
La maladie : phénotype résultant d’un conflit entre le
génome et l’environnement
Selon conditions :
· forte génétique qui déclenche la maladie sans intervention de
l’environnement : maladies monogéniques homozygotes.
· le génotype n’intervient pas dans la maladie comme par exemple
une infection massive (cause environnementale)
Pathologie courante se situe entre ces deux extrêmes :
· 100% génétique, drépanocytose ou mucoviscidose
· 100% environnementale, fracture de la jambe
Entre les 2, influence génétique variable :
2) Conséquences sur la santé des changements
environnementaux :
Ce qui est nouveau : impact de son activité sur
l’environnement. Est-ce que l’homme est capable de s’adapter à
cette nouvelle donne ?
___________________________________________________________________________
Chapitre 5 : L’avenir de la biologie
Deux grandes questions subsistent et mobilisent les
chercheurs : - comment recréer le vivant (biologie de
synthèse), voire réinventer le vivant ?
- Existe-il une vie extraterrestre ?? (Exobiologie)
A. La biologie de synthèse
Domaine scientifique combinant biologie et ingénierie dans le
but de concevoir et synthétiser un système à fonctions
biologique.
- Actuellement, biologie de synthèse s’inspire de la biochimie,
des technologies génétiques et de la modélisation informatique
Objectifs :
- Apprendre le fonctionnement biologique en reconstruisant un
être vivant.- Construire des organismes pouvant servir à diverse
application comme la production de biocarburants, de médicaments,
séquestrer les C02.
Premiers essais :
- De nombreuses bactéries transformées (ADN) par génie génétique
pour produire des composés.En 1978, Escherichia coli produit de
l’insuline humaine. - Un virus de la poliomyélite fonctionne avec
son génome artificiellement reconstitué en 2003 - Actuellement,
biologie de synthèse s’inspire de la biochimie, des technologies
génétiques et de la modélisation informatique
Axes de recherches :
Créer un génome animal
- En 2002, Fred Blattner commercialise des souches colibacilles
dont l’ADN est réduit de 15%- En 2012, J Craig Venter (institut)
copie et transplante le génome d’une bactérie Mycoplasma mycoides
dans une souche cousine qui se reproduit !
- En 2014, Jef Boeke et Joel Bafer (universite john hopkins)
synthétisent un chromosome réduit de saccharomyces cerevisiae, ils
l’introduisent dans la levure et ça marche ! Reprogrammer
l’ADN pour synthétiser des protéines exotiques (qui n’existent pas
encore dans la nature) : réalisé en 2013 avec une bactérie.
Créer un type d’ADN différent (Xénobiologie) - En 2014, Floyd
Romesberg (institut scripps en californie), insère deux nucléotides
artificiels dans l’ADN d’Escherichia coli qui le réplique.
Créer une bactérie synthétique contenant un génome minimal
nécessaire pour la vie.
- Annonce en mars 2016, l’équipe de Craig Venter a démantelé le
génome de Mycoplasma Mycoides, bactérie des chats, pour découvrir
l’ossature des instructions génétiques minimales pour la vie.Ce
mycoplasme nommé Syn 3.0 possède le plus petit génome, 473 gènes
dont un tiers sont de fonction inconnue.
B. L’exobiologie
Appelée aussi astrobiologie (par les Anglos- Saxons) Concerne
l’étude des processus géochimiques et biochimiques menant à
l’apparition de la vie et la recherche de vie extraterrestre, y
compris intelligente. (programme SETI)
1) Les envahisseurs de l’espace
La Terre a-t-elle été ensemencée par une vie
d’ailleurs ???C’est l’hypothèse de la panspermie.
Expérience réalisée sur l’ISS : bactéries ont résisté au
vide spatial pendant 18 mois mais leur survie implique une
protection contre les UV et le rayonnement cosmique.
Pas de microorganisme découverts dans l’espace
mais :: - Une chimie organique active en milieu
interstellaire (acide cyanhydrique, formaldéhyde)e)- Des composés
organiques détectés par sonde Giotto en 1986 sur la comète de
Halley - La glycine sur la comète Churyumov-Gerasimenko, mission
Rosetta et oxygène molécuulaire ?
- Acide aminés, acides gras et bases azotés dans la météorite de
Murchison..- Apport de carbone par les micrométéorites qui tombent
sur terre chaque année (120tonnes). Bombardement 10 000 fois
plus importante sur la Terre primitive..
2) L’abondance des planètes extrasolaires
En décembre 1995, découverte de la première exoplanète, 51
Pegasi par les astronomes suisses Michel Mayor et Didier Queloz
(observatoire de Haute-Provence).
En aout 2016, 3518 exoplanètes confirmées. Estimation dans notre
galaxie à 100 milliards de planètes ! Recherche de la vie sur
une exoplanète ??? Exige eau liquide donc surface
tempérée : Zone d’habitabilité pour chaque étoile.
Aout 2016 : Découverte exoplanète jumelle de la Terre,
potentiellement habitable, proche de nous, à seulement 4.24 années
lumières, autour de Proxima du Centaure, l’étoile la plus proche de
notre système solaire.
3) Programme SETI
« Search for extraterrestrial intelligence » Première
écoute radio de signaux extraterrestres en 1960 par Frank Drake
Donnait 10 civilisations dans notre galaxies !
Recherche passive : écoute grâce radiotélescopes d’Arecibo
(île de Porto Rico, USA), Nancay (sologne, France) et depuis 2007,
Allen Telescope Array (Californie, USA).Recherche active : En
1974, message depuis le radiotélescope d’Arecibo vers la
constellation d’Hercule, arrivée dans 30 000 ans. Plaques en
aluminium sondes Pioneer Vidéodisques, sondes Voyager
SETI abandonné en 1993 par décision du sénat américain puis
repris 1995 par une association privée (projet Phoeix) En juillet
2015 ……
4) Dans le système solaire
- Europe, satellite de Jupiter Mission Galileo en 1995 montre
des plaques de glace recouvrant vraisemblablement un océan d’eau
liquide salée.Surface gelée : 10 à 30 km d’épaisseur
Océan : 100 km de profondeur Conditions favorables à
l’émergence de la vie
Exploration d’Europe haute priorité pour ESA et NASA
5 missions prévues dès 2022
Dont robot valkyries …………….
- Titan, satellite de Saturne
Vie semble impossible (-180 degrés) mais rassemble les
caractéristiques de la Terre primitive il y a 4 Ga. Atmosphère
dense : siège de chimie probiotique.
Mission cassini- Huygens en 2005 : Atmosphère, brouillard
complexe de molécules organiques
- surface, étendu liquide de méthane et d’éthane alimenté par la
pluie.
Prochaine mission : Titant saturn system mission (ESA,
NASA) dont montgolfière dans l’atmosphère et atterrisseur sur mer
de méthane prévue pour 2030.
- Mars, le mythe des martiens
Apres une 40aine de sondes spatiales dont une 20aine
d’échecs !!
Il y a 3.8 Ga, climat chaud et humide (eau liquide, atmosphère
épaisse : condition favorables à la vie.
Plus rapide dégradation des conditions mais existence encore de
poches d’eau souterraines.
Missions d’exploration martienne pour répondre à 2
questions :
La vie a-t-elle démarré sur mars dans un passé lointain ?
Subsiste-t-il des poches d’eau abritant encore une forme de
vie ?
Actuellement, rover Curiosity de la mission Mars Science
Laboratory (NASA, 2012) : analyse des conditions favorables à
la vie.
Futures missions : - ExoMars 2016 partie en mars 2016,
arrivée en octobre
- ExoMars 2018 repoussée à 2020
Participation : esa, roskosmos, CNrsObjectif :
recherche d’indices d’une vie biologique présente ou passée sur
mars.
En 2020, rover Pasteur destiné à forcer le sol martien jusqu’à
2m de profondeur et identifier des marqueurs biochimiques dans
l’échantillon.
Insight en mars 2018-2020 NASA Objectif : analyse
composition interne de mars et projet de collecte d’échantillons
par rover 12020 (mission retour vers la terre ?)
Mission habiteré vers mars ?Débarquement en 2030(NASA), en
2025 (space X, elon musk mais explosion récente de la
fusée !)
Succès en novembre 2015 du lancement fusée Blue Origin avec
retour Amazon, Jeff Bezos
Expérience de la NASA : sortie récente de 6 volontaires
enfermés pendant 1 an dans un dôme a Hawaï.
Mars one, projet néerlandais de sélection parmi 200 000
candidatures des 2 premiers colons de la planète rouge !