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.

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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

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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 ?

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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 ?

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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 !