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SV2 AOrganisation du monde vivant
Aix- Montperrin
Année 2006-2007
Introduction à la systématique
L’arbre du vivant
Caractéristiques de la lignée verte
Caractéristiques des Métazoaires
E. Franquet
Introduction à la systématique
Les caractéristiques du vivant
- Constitués de cellule(s): unité fondamentale de la vie
Croissance et reproduction, réaction à des stimuli, métabolisme, adaptation et évolution
Introduction à la systématique
- Capables de recopier par eux mêmes leur séquence d’ADN et de propager leur séquence d’ADN dans l’espace et dans le temps
- Capables de traduire l’information génétique en protéines enzymatiques ou constitutives.
CES 3 PROPRIETES D’AUTONOMIE DEFINISSENT LA VIE
Organisation du monde vivant
Atomes
Molécules
Organe
Organisme
Population
Cellules
Organites
Biosphère
Ecosystème
Tissus
D’après Lecointre et Le Guyader : 1 747 851 organismes vivants
Quelques chiffres...
Nombre d’espèces estimée : entre 7 et 100 millions !!!
10 000 nouvelles espèces par année !!!
Introduction à la systématique
Quelques définitions
Taxon et taxinomie (ou taxonomie)
Introduction à la systématique
Délimitation, description, inventaire et dénomination des taxons dans un système de nomenclature scientifique
La nomenclature binominale de LINNE (1750)
TAXONS : Les groupes d’organismes définis par la taxinomie
Exemple : Espèce Homo sapiens
Genre HomoFamille des Hominidae
Ordre des Primates
Quelques définitions...
La systématique :
Objectifs :
1) TAXINOMIE
2) Comprendre les relations de parenté entre les organismes tant vivants que fossiles: PHYLOGENIE
3) Comprendre les mécanismes d’EVOLUTION qui sont à l’origine des espèces
Introduction à la systématique
Quelques définitions (suite)
Qui sont les systématiciens ?
Biologistes moléculaires
GénéticiensEcologuesNaturalistes
Introduction à la systématique
La systématique : pour faire quoi ?
Rendre intelligible l’immense diversité du monde vivant
Applications:
Santé publique : lutte contre les épidémies parasitaires
Pharmacie : recherche de nouvelles molécules
Agronomie : lutte contre des attaques parasitaires
Ecologie : Indicateurs de pollutions
Sciences de l’environnement : reconstruction des climats
Il existe 6 espèce jumelles dans le complexe « Anophèles »
BIOINDICATEURDésigne des taxons du fait de leurs particularités écologiques, constituent l'indice précoce de modifications biotiques ou abiotiques de l'environnement dues à des activités humaines.
Exemple IBGN
Comment classer les organismes vivants ?
Méthode « divisive » :
Diviser l’ensemble des organismes suivant des critères prédéfinis, en répétant cette opération jusqu’à ce qu’on arrive aux seules espèces (Définition Dérivée d’Aristote).
Chaque étape correspond à un partage dichotomique dont l’un des terme est défini négativement par rapport à l’autre.
Exemple : plantes à fleurs/plantes sans fleurs
Introduction à la systématique
Méthode « divisive » :
Critère A
OUI
NON
Critère B
OUI
NON
Critère C
OUI
NON
Comment classer les organismes vivants ?
Méthode « agglomérative » :
Rassembler les espèces en différents groupes sur des critères de similarité, puis réitérer l’opération en prenant comme nouvelle unité les groupes définis à l’étape précédente.
Dans ce cas les critères de regroupement sont défini à posteriori et peuvent être le résultat de l’observation des organismes
Introduction à la systématique
Méthode « agglomérative » :
Les triangles
Les losanges
Les carrés
Objectif : classer les espèces en groupes monophylétiques ou clades : un ancêtre et tous ses descendants.
AA
BB
CC
DD
Groupesparaphylétiques
Principe de la systématique cladistique
Les clades sont basés sur les SYNAPOMORPHIES =
caractères dérivés partagés entre les espèces (actuelles ou fossiles) connues. Ce sont les caractères que plusieurs espèces ont hérité d’un ancêtre commun.
Introduction à la systématique
1 Branche = un groupe monophylétique= clade
Notion de caractères dérivés
Introduction à la systématique
Qu’est ce qu’un caractère ?
Tout structure observable, sur laquelle on peut faire une hypothèse d’homologie, a un caractère particulier (forme, composition biochimique).
Notion d’homologie :
Lorsqu’on compare des organismes de même plan d’organisation, ces structures entretiennent les même connexions avec les structures voisines, et ce quelles que soient leurs formes et leurs fonctions. Elles sont héritées d’un ancêtre commun
Membre antérieur des Mammifères
Cubitus
Humérus
Radius
Carpe
Métacarpe
Phalange
Principe de la systématique cladistique
1er cas : caractère ancestral a
Espèces A B C
a
a a’ a’
A B C
b
b b b’
2eme cas : caractère ancestral b
SynapomorphieSymplésiomorphie
1 Branche = un groupe monophylétique= clade
Principe de la systématique cladistique
1 groupe est monophylétique si:toute espèce lui appartenant est plus étroitement apparentée à n’importe laquelle des espèces du groupe qu’à tout autre espèce n’en faisant pas partie.
1 noeud = Cladogenèse= Formation d’une nouvelle lignée
Groupesparaphylétiques
Groupemonophylétique
Groupemonophylétique
AA
BB
CC
DD
Hypothèses* les clades proviennent de la descendance des taxons déjà présents.* la formation d’un clade se fait par bifurcation. * les caractères changent progressivement, notamment sous l’effet de la sélection naturelle.
Attributs étudiés* anatomiques, * physiologiques* embryologiques. * moléculaires : basés sur les séquences génomiques.
Calcul des arbresPlusieurs algorithmes de calcul (Cf S5 module de systématique phylogénétique)
Principe de la systématique cladistique
Introduction à la systématique
L’arbre du vivant
Les 3 EMPIRES (Domaines)
Archées
Eubactéries
Eucaryotes
L’arbre du vivant
Procaryotes
Deux avancées ont permis cela :
Avancée conceptuelle :
systématique phylogénétique : on recherche des clades : un ancêtre et ses descendants ayant tous le même caractère dérivé propre : synapomorphie
(différent de symplesiomorphie, caractère commun mais plus ancien déjà partagé par d’autres clades)
Avancée technique : biologie moléculaire permet de comparer des organismes qui ne se ressemblent pas du tout
Arbre phylogénétique universel : introduction
L’arbre du vivant
ARNr 16sAvancée technique : biologie moléculaire permet de comparer des organismes
qui ne se ressemblent pas du tout
Un Ribosome comprends deux sous-unités de tailles différentes, constituées d'ARNr associés à des protéines ribosomales.
La taille relative, mesurée par le coefficient de sédimentation (s)
La plus petite sous-unité (30s/40S) contient une chaîne d'ARN (16S / 18S)
La plus grosse sous-unité (50S chez les procaryotes, 60S chez les eucaryotes) est constituée de 2 chaînes ARN (5S + 23S / 5S + 28S ).
L’arbre du vivant
L’arbre du vivant
REMISE EN CAUSE DE CETTE CLASSIFICATION
L’arbre du vivant
L’arbre du vivant
Qu’est ce qu’un grade ?
Un grade est groupe d’organismes ayant une même organisation générale et un même avancement évolutif.
Le grade peut être paraphylétique par opposition au clade
Exemple : Le grade des reptiles
REPTILES : GRADES et non PHYLUM
Les 3 EMPIRES (Domaines)
Archées
Eubactéries
Eucaryotes
L’arbre du vivant
Procaryotes
Les Eubactéries
Définitions
Structure cellulaire sans noyau: structure PROCARYOTES
Fischerella (Eubacteria, Cyanobacteria). Susan M. Barns.
L’arbre du vivant
Les Eubactéries
Diversité
9021 espèces (suivant l’ARN 16S)
La taille des Eubactéries varie de 0,05 µm (nanobactéries) à 600 µm pour une bactérie symbiote de l’intestin d ‘un poisson-chirurgien
Selon les lignées, on trouve
Diversité des ressources énergétiques
L’arbre du vivant
- des aérobies ou des anaérobies strictes.
- des phototrophes (tirant leur énergie de la lumière),
- des chimiotrophes (trouvant leur énergie de gradients chimiques non organiques),
- des hétérotrophes (trouvant leur énergie dans la matière organique, qu'elle soit vivante (parasitisme) ou morte)
Les Eubactéries
Ecologie
Elles jouent aussi un rôle prépondérant dans le recyclage des déchets organiques (Chaîne d’oxydation de la matière organique azotée).
L’arbre du vivant
Les eubactéries occupent la plupart des milieux,
Elles constituent certainement en nombre de cellules, et peut-être en masse, la plus grande partie du vivant.
Elles remplissent des fonctions fondamentales dans l'écosystème terrestre :
le cycle de l'azote ou du soufre.
Les mitochondries et les chloroplastes étant des eubactéries symbiotiques, cela inclut aussi la photosynthèse et le métabolisme de l'oxygène (les eubactéries sont à l'origine de tout l'oxygène de l'atmosphère), et elles sont donc la porte d'entrée de toute l'énergie qui fait marcher le vivant.
Les archées
Les archéobactéries ou archées ou archeas (du grec archaios, ancien et backterion, bâton) constituent un taxon du vivant caractérisé par des cellules sans noyau, comme les Eubactéries mais en diffèrent génétiquement et chimiquement
Définitions
découvertes à la fin des années 1970, par Carl Woese (l'Université de l'Illinois à Urbana, États-Unis).
Photo en microscopie électronique de Pyrodictium connecté par un réseau de fibres protéinique (Rieger 1995)
L’arbre du vivant
En quoi les archéobactéries se différencient-elles des bactéries et des eucaryotes ?
L’arbre du vivant
la structure et la chimie des parois cellulaires atypiques (absence de peptidoglycane classique chez les bactéries)
leur métabolisme (méthanogènes...)
la présence d'ARN-polymérases inhabituelles, beaucoup plus complexes que les ARN-polymérases des bactéries, et étonnamment proches de celles des eucaryotes.
un chromosome circulaire de type bactérien mais comportant des gènes en mosaïque similaires à ceux des eucaryotes.
Les Archées
Diversité
259 espèces (suivant l’ARN 16S)
Les archéobactéries constituent un groupe très hétérogène, regroupant peu d'espèces connues (mais la liste augmente).
D'un point de vue physiologique, elles peuvent être aérobies, anaérobies facultatives ou strictement anaérobies.
L’arbre du vivant
Elles peuvent être sphériques, spirales, en forme de bâtonnet... Leur taille varie entre 0,1 et 15 µm (filaments jusqu'à 200 µm).
Elles font preuve d'une grande diversité de modes de reproduction, par fission binaire, bourgeonnement ou fragmentation.
D'un point de vue nutritionnel, elles se répartissent en de très nombreux groupes, depuis les chimiotrophes aux organotrophes.
Les Archées
Ecologie
Les archéobactéries se développent de préférence dans des niches extrêmes, où les conditions de vie sont très difficiles ou impossibles pour la plupart des autres organismes.
L’arbre du vivant
Dans une acidité pH=0,
le Pyrobaculum provient de réservoirs profonds de pétrole chaud. Le Methanopyrus se développe dans un fumeur en mer profonde (les fluides hydrothermaux y émergent des chambres magmatiques à des températures allant de 200°C à 350°C).Le Pyrobolus peut proliférer à 113°C.
De même, certaines archéobactéries prolifèrent dans des sels à 30 % = HALOBACTERIE, elles sont photosynthétiques
Les Archées méthanogènes vivent dans le rumen des ruminants, elles produisent du méthane à partir du CO2 et de l’H2
Lecointre G., Le Guyader H. 2001. Classification phylogénétique du vivant. Belin, Paris, 543 pp.
Lévêque C. & Mounolou J.C. 2001. Biodiversité. Dunod, Paris, 248 pp.
Tassy P. 1998. L’arbre à remonter le temps. Latitude, Paris, 388 pp.
Références bibliographiques
Les Eucaryotes
Définition
Les eucaryotes : organismes unicellulaires ou pluricellulaires définis par leur structure cellulaire.
Taille variable de quelque µm à 100mForme variable
Quelques caractères dérivés propres
2- Les mitochondries assurent la fonction de respiration
L’arbre du vivant
1- L’ADN, sous forme de chromosome, est contenu dans un noyau, délimité par une membrane nucléaire
3- La division cellulaire est une mitose
Les Eucaryotes
Ecologie
Répartition mondiale, à toutes latitudes, profondeurs ou altitudes
Fondamentalement Aérobie
L’arbre du vivant
Les Eucaryotes
Lignée verte
Champignons
Métazoaires
Lignée brune
Autres Unicellulaires
Arbre simplifié d’après Lecointre et Le Guyader p.97
L’arbre du vivant
ENDOSYMBIOSE PRIMAIRE
ChlorobiontesRhodobiontes
La lignée verte
Descendant direct de l’ organisme qui a effectué la première endosymbiose
chloroplastique (une cyanobactérie)
La lignée verte
L’arbre du vivant
Glaucophytes
Rhodobiontes
ChlorobiontesMétabiontes
Algues vertes
Embryophytes
SpirogyraUnicellulaire avec deux flagelles inégaux
Fougère
Mousse
Hepatica
Les Embryophytes
Les ConifèresLes Angiospermes
Les Champignons
L’arbre du vivant
Mycélium
Rond de sorcière
Eponges
Eumétazoaires
Cnidaires (anémones de mer, méduses)
Protostomiens
Deutérostomiens
Bilatériens
Les Métazoaires
L’arbre du vivant
Bilatériens
L’arbre du vivant
Protostomiens
Deutérostomiens
La lignée brune
Diatomées
Fucus vesiculosus
Les autres unicellulaires
Amibe
Cilié : Paramécie
Euglène : Flagellés
Foraminifères
Les hypothèses de l’ancêtre commun : LUCA
L’arbre du vivant
LUCA : Last universal common ancestor
situer LUCA sur l'arbre universel, Et les hypothèses sur la position phylogénétique des hyperthermophiles.
L’arbre du vivant
Portrait robot de LUCA : possédait un génome à ADN . était capable d’assurer le maintien de son information génétique
les mécanismes moléculaires d’oxydation devaient déjà être en place, malgré un environnement dépourvu d’oxygène.
Chapitre 3 :
Caractéristiques de la lignée verte
Généralités
Les caractéristiques des Embryophytes
La lignée verte
Glaucophytes
Rhodobiontes
ChlorobiontesMétabiontes
Algues vertes
Embryophytes
SpirogyraUnicellulaire avec deux flagelles inégaux
Caractéristiques de la lignée verte
La cellule végétale se distingue de la cellule animale par trois caractéristiques cytologiques majeures :
Les plastes et pigments assimilateurs, la paroi et la vacuole
La cellule végétale
Caractéristiques de la lignée verte
Cellule végétale observée en microscopie optique (x100).
Autotrophie et Photosynthèse
Caractéristiques de la lignée verte
L'énergie requise à cette synthèse, apportée par le soleil, est captée par les pigments assimilateurs (chlorophylles) au cours de la réaction de photosynthèse que l'on peut résumer par la formule :
n[CO2+H2O] + Energie lumineuse -> [CH2O]n + nO2
Ils synthétisent leur matière organique à partir de substances minérales qu'ils puisent dans le sol (eau et sels minéraux) et dans l'air (carbone sous forme de CO2).
Caractéristiques des Embryophytes
Les tissus végétaux
Alternance de phases chromosomiques
Fougère
Mousse
Hepatica
Les Embryophytes
Les ConifèresLes Angiospermes
Les tissus
Les cellules d'un végétal vont se différencier, se spécialiser pour former différents tissus.
Coupe transversale tige
les méristèmes les tissus superficiels les tissus vasculaires les tissus assimilateurs et de réserve les tissus de soutien
Caractéristiques des végétaux
La formation des organes et des tissus résultent de l'activité des méristèmes et a lieu tout au long de la vie de la plante.
Le regroupement de ces tissus en vue d'assurer les différentes fonctions donneront naissance aux organes : racines, tiges, feuilles et fleurs.
Les tissus
Caractéristiques des végétaux
Totipotentialité et multiplication végétative
Facilité de régénération qui contrebalance l’incapacité de fuir.
SPOROPHYTE : Individu végétal issu d'un oeuf fécondé, et qui, à maturité, porte des spores.
Le sporophyte est réduit à un sporogone chez les mousses ; chez les plantes supérieures, il constitue la plante presque entière.
C’est le stade diploïde, 2N chromosomes
Alternance de phases chromosomiques
et alternance de générations
Le gamétophyte est le stade haploïde du cycle reproductif des plantes. Il produit les gamètes de la plante. Chaque cellule du gamétophyte contient un seul lot de chromosomes.
Chez les mousses (Bryophytes), le gamétophyte est constitué par l'axe feuillé, qui est la partie la plus visible de la plante.
Chez les angiospermes, plantes à fleur, gamétophyte mâle est réduit au grain de pollen.
Alternance de phases chromosomiques
et alternance de générations
Caractéristiques des embryophytes
Caractéristiques des Animaux (Métazoaires)
Animaux pluricellulaire
Mobiles
Hétérotrophes
La méiose donne des gamètes et non des spores
Plus ancien fossile connu : 680 millions d’années
Caractéristiques des Animaux (Métazoaires)
La symétrie
Le nombre de feuillets embryonnaires
Le coelome
La métamérie
La céphalisation
Protostomien et deutérostomien
Gastrula
Diploblastiques et triploblastiques
Caractéristique des animaux
Blastula
Gastrulation
Eponges
Eumétazoaires
Cnidaires (anémones de mer, méduses)
Protostomiens
Deutérostomiens
Bilatériens
Spongiaires
Cnidaires
chez les protostomiens le blastopore deviendra la bouche de l'adulte, chez les deutérostomiens il donnera l'anus.
Protostomiens et deutérostomiens
Caractéristique des animaux
Le tube digestif primitif, l'archenteron, communique avec le milieu extérieur par le blastopore.
Toutefois, un tube digestif normal comporte deux orifices, la bouche et l'anus.
L'autre extrémité de l'archenteron fusionnera avec l'ectoderme pour percer ce deuxième orifice.
Acanthocéphales
Plathelminthes
Mollusques
Annélides
Euarthropodes
Nématodes
Les Protostomiens Autres
Exemple de Protostomiens
Caractéristique des animaux
MONOPHYLETIQUE
Exemples de deutérostomiens
Caractéristique des animaux
Ascidie (Urochordés)Échinodermes
CHORDES
Amphioxus (céphalochordés)
VERTEBRES
MONOPHYLETIQUE
Un groupe d'animaux, les échinodermes (oursins, étoiles de mer), a abandonné la symétrie bilatérale pour revenir à une symétrie radiée d'ordre 5 ou pentaradiée.
Symétrie radiée, bilatérale et pentaradiée.
Symétrie de type radiée ou circulaire. Les animaux sont des sacs avec un orifice, la bouche, orienté vers le haut et une couronne de tentacule autour. On ne peux distinguer chez eux ni avant, ni arrière, ni cotés droits et gauche.
La symétrie bilatérale, caractéristique de tous les autres animaux, apparaît avec le troisième Feuillet embryonnaire. N'étant plus limité à une forme circulaire, les animaux vont pouvoir avoir une morphologie très variée.
Caractéristique des animaux
Triblastiques acoelomates ou coelomates
Caractéristique des animaux
Plathelminthes (vers plats)Némathelminthes(vers ronds)
acoelomates
coelomates
NON MONOPHYLETIQUES
Schémas d’acoelomates et Coelomates
Ce phénomène désigne l'importance croissante de la partie antérieure du corps au cours de l'évolution.
Céphalisation
Caractéristique des animaux
Ce phénomène se manifeste de deux façons :
Pour qu'il ait céphalisation, il faut qu'il y ait partie antérieure et donc symétrie bilatérale.
1) le regroupement de la plupart des organes sensoriels dans la partie antérieure, autour de la bouche
mieux surveiller ce qui y rentre ou de mieux diriger ses mouvements pour y amener les proies,
Céphalisation
Caractéristique des animaux
2) le développement du système nerveux devient alors inévitable pour traiter toutes les informations qui proviennent à la tête
la convergence de toutes les informations sensorielles en un même endroit permet une meilleure intégration de l'ensemble des stimuli.
Céphalisation
Caractéristique des animaux
Primitivement, les métamère étaient tous identiques, ils contenaient : -une portion de tube digestif, -une portion du tégument, -une paire d'organe excréteur, -une portion de système circulatoire -son ganglion nerveux,- ses muscles, -ses glandes et sa paire de gonades (quand l'animal en possède des différenciées).
Les animaux qui se rapprochent le plus de cette structure sont les annélides
Métamérie
Le corps d'un animal métamérisé est constitué d'une succession de segments (métamères) clairement discernables.
Les métamères primitivement identiques vont se spécialiser. Les métamères vont devenir tous différents aux points que la structure métamérisée de l'animal n'est plus discernable, comme c'est le cas chez les mammifères.
Caractéristique des animaux
Conclusions
Une nouvelle approche pour structurer le monde vivant : la cladistique
Une complexité résultat de l’évolution
Des outils moléculaire et statistique à développer
Connaissances attendues
Les caractéristiques du vivant : autonomie du vivant
Structure hiérarchique du vivant
Cellule végétale
Savoir utiliser la méthode cladistique
Les tissus des végétaux
Le développement embryonnaire (morula, blastula Gastrula)
Origine thermophile du monde vivant?
LUCA
Etre capable de définir et d’illustrer les notions suivantes
Systématique
Taxinomie
Monophylie
Paraphylie
Symplésiomorphie
Synapomorphie
Archéobactérie
Eubactérie
Procaryotes
Eucaryotes
Endosymbiose primaire, secondaire
ARN ribosomaux
Grade
Phototrophe
Chimiotrophe
Autotrophe
Hétérotrophes
Lignée verte
Lignée brune
Métazoaire
Eumétazoaires
Champignon
Chlorobiontes
Rhodobiontes
Spermaphytes
Gymnosperme
Angiospermes
Bryophytes
Fougères
Eponges
Cnidaires
Bilatériens
Protostomiens
Deutérostomiens
Hyperthermophilie
Dernier ancêtre commun universel
Gamétophytes
Sporophytes
Coelomates
Acoelomates
Céphalisation
Cérébralisation
Métamérisation
1) Expliquer le principe de la systématique cladistique (2 points). 2) Quelle sont les trois branches de l’arbre universel, pourquoi a t-on réussi à construire cet arbre (2 points) ?3) Qu’est ce qui caractérise la lignée verte (2 points).4) Qu’est ce qui caractérise les métazoaires (2 points).5) Compléter cet arbre (simplifié d’après Lecointre et Le Guyader) en replaçant « la lignée verte », « la lignée brune », « les autres unicellulaires » et « les Métazoaires ». Donner et placer le 5ème groupe. S’il y a plusieurs possibilités, donner en une seule (2 points).
Lecointre G., Le Guyader H. 2001. Classification phylogénétique du vivant. Belin, Paris, 543 pp.
Lévêque C. & Mounolou J.C. 2001. Biodiversité. Dunod, Paris, 248 pp.
Tassy P. 1998. L’arbre à remonter le temps. Latitude, Paris, 388 pp.
http://www.imep-cnrs.com
Références bibliographiques
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