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Cours seconde - Thème 1 - cours 4

Biodiversité - Parentés entre espèces et Evolution Nous avons vu que :

L’ensemble des organismes montre une certaine unité cellulaire (structurale et fonctionnelle) et une grande

unité moléculaire (universalité de l’ADN).

Mais il existe une diversité génétique entre les espèces (gènes différents) et entre les individus d’une

même espèce (variabilité des gènes = allèles) Ces diversités sont à l’origine de la notion de biodiversité.

Quels sont les différents niveaux d’étude de la biodiversité ?

I- La biodiversité = résultat et étape de l’évolution

La biodiversité c’est à la fois la diversité des écosystèmes, la diversité génétique au sein des espèces

et la diversité des espèces.

1°) La Biodiversité génétique : Elle repose sur le fait que de nombreux gènes au sein d’une population existent sous plusieurs

versions différentes que l’on nomme des allèles d’un gène. Les mutations des gènes sont à l’origine

des différents allèles (vu dans le chapitre précédent)

On parle aussi de biodiversité intraspécifique.

Exemple de l’escargot des haies (Hélix némolaris) qui montre une grande biodiversité intraspécifique

2°) La Biodiversité des écosystèmes : Un écosystème se définit par une communauté d’organismes

vivants (= la biocénose) en équilibre avec les conditions de

l’environnement dans lequel elle vit (= le biotope)

a- Les biotopes correspondent aux facteurs mesurables

de l’environnement (température, altitude,

pluviométrie…) et à l’espace occupé.

Exemples d’écosystèmes fréquents à la Réunion :

prairie ; forêt sèche ; forêt d’altitude ; lande ; plein

océan ; littoral rocheux ; récif corallien ; sol ; champ

cultivé …

Mais aussi : flaque d’eau ; tronc d’arbre ; fromage ; tube

digestif animal ou humain.

A : morphe gris,

B : morphe brun à tête grise,

C : morphe brun à nuque brune,

D : morphe brun à tête brune Photos C Thébaud

Les différents aspects

des individus d’une

même espèce :

exemple du Zoizo blanc

endémique des îles

Maurice et Réunion

=Zosterops borbonicus

Source : Nathan 2de ed. 2010

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b- La biocénose correspond à une combinaison d’espèces végétales, animales et microbiennes qui

interagissent entre elles (chaînes alimentaires – réseaux trophiques) en occupant des fonctions

précises = production, consommation, décomposition, etc. …

Les interactions entres espèces sont alimentaires ; coopératives (exemple : symbiose ; pollinisation…) ou compétitives (compétition pour l’occupation du milieu ou pour la nourriture ; parasitisme …) Exemple : Réseau trophique très simplifié du récif corallien de la Réunion (source : M Laude)

De grands types de formations végétales, caractéristiques des grandes zones climatiques de la biosphère constituent des phytocénoses. Ces

associations d’organismes végétaux, avec la faune qui leur est associée, sont appelés les biomes. Bien qu’un biome ne constitue pas un écosystème, à l’échelle de la planète les biomes constituent des zones où les conditions du milieu (biotope) permettent aux espèces présentes des interactions comparables entre elles et avec le milieu.

3°) La Biodiversité des espèces :

Elle correspond au nombre d’espèces vivantes ; à la position des espèces dans la

classification du vivant et à la répartition en nombre d’espèces et en effectifs de chaque

espèce par unité de surface.

La diversité des espèces est directement liée à la génétique : Elle est le résultat de

l’évolution. Dans un écosystème on a rencontré des groupes d’êtres vivants qui possèdent souvent des caractéristiques communes (ce qui nous a permis de les classer) S’il existe des caractéristiques génétiques communes à deux groupes distincts c’est qu’ils possèdent en commun certains gènes donc qu’ils ont des relations de parenté qui expliquent l’héritage de ces gènes.

Comment argumenter les liens de parenté entre différents groupes d’êtres vivants ? Nous prendrons comme exemple le groupe de vertébrés

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II- Recherche de liens de parenté = exemple des vertébrés :

1°) Classification des vertébrés : Caractéristiques fondamentales permettant de classer un être parmi les vertébrés :

Les vertébrés sont des êtres qui possèdent un squelette osseux organisé autour d’un axe vertébral (colonne vertébrale)

Si on se base sur leurs productions épidermiques, les vertébrés peuvent être divisés en 5 classes.

- Les Poissons possèdent des écailles libres.

- Les Amphibiens ont une peau nue.

- Les Reptiles possèdent des écailles soudées.

- Les Oiseaux ont des plumes (mais aussi des écailles sur les pattes)

- Les Mammifères possèdent des poils. Remarque : tous les vertébrés qui possèdent 2 paires de pattes (tous les vertébrés sauf les poissons) sont qualifiés de tétrapodes.

2°) Morphologie générale comparée des vertébrés : Malgré une importante diversité morphologique, tous les

Vertébrés, sans exception peuvent être orientées selon :

- Un axe de polarité antéro-postérieur (avant-arrière)

- Un axe de polarité dorso-ventral (dos-ventre)

- Un plan de symétrie bilatérale (droite-gauche) Ces axes et ce plan se croisent en un seul point et sont

perpendiculaires les uns par rapport aux autres.

Etude d’un exemple d’organisation chez la sardine :

Les différentes régions de la colonne vertébrale, en relation avec le mode de locomotion et les fonctions du

corps (de l’avant vers l’arrière) sont :

3°) Structure des membres chez les tétrapodes : Les tétrapodes sont des vertébrés qui possèdent quatre membres (tous sauf les poissons)

Les membres des tétrapodes possèdent une organisation très semblable malgré les formes

différentes dues aux modes de locomotion adoptés par les différentes espèces.

Les différentes parties du membre antérieur sont :

1

2 3

4

5

Narine

Œil

Ouïes

Branchies

Langue

Mâchoire

inférieure

Nageoire

pectorale

Axe de polarité dorso-ventrale

Axe de polarité antéro-postérieur

Plan de symétrie bilatérale

Nom des nageoires : 1- Nageoire dorsale ; 2- Nageoires pectorales (x2) 3- Nageoires ventrales (x2) 4- Nageoire anale ; 5- Nageoire caudale (= queue)

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- Un « bras » avec un os = l’humérus ;

- Un « avant-bras » avec deux os parallèles = le

radius et le cubitus ;

- Une « main » avec les carpes; les métacarpes et

les phalanges

Toutefois, l'organisation plus archaïque des nageoires des poissons comparée à l'organisation des membres des autres vertébrés indique une parenté plus lointaine entre les poissons et les autres vertébrés. Cette hypothèse est confirmée par l’absence de régions cervicales et pelviennes chez les poissons (voir schéma précédent)

4°) Organisation interne : a- Exemple de la sardine :

Muscles

Branchies

Rein

Vessie natatoire

Cœur

Orifice ano-uro-génital

Foie

Gonades

Tube digestif

- le cœur est situé à l'avant de la cavité abdominale, dont il est séparé par une cloison, - les branchies sont situées à l'avant, sous les opercules, - le foie est également situé dans la partie antérieure, en arrière du cœur, - le tube digestif forme une boucle (œsophage + estomac + intestin), - reliée à l’œsophage par un canal, on trouve une vessie natatoire, - les deux reins sont accolés et situés dorsalement, - les deux gonades sont situées à la face ventrale des reins, qu'elles recouvrent plus ou moins.

b- Comparaison avec d’autres vertébrés : la grenouille et la souris

On observe chez tous les vertébrés une disposition similaire des organes selon les axes de polarité.

Anatomie comparée des systèmes

digestifs et cardio-respiratoire d’un

amphibien et d’un mammifère

Organisation du membre

antérieur de quelques vertébrés

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c- Etude comparative des systèmes nerveux :

Chez tous les vertébrés, le système nerveux est dorsal. Il a une organisation semblable.

L’encéphale (hémisphères cérébraux + cervelet + bulbe rachidien) est logé dans le crâne et la

moëlle épinière est protégé par la colonne vertébrale.

Bilan : Chez tous les vertébrés, la disposition des appareils et des systèmes est identique et se fait selon les axes de polarités. Quel que soit l’appareil ou le système il est composé des mêmes organes. Ces similitudes dans le plan d’organisation sont des arguments qui prouvent que les vertébrés ont des relations de parentés importantes.

Comment se fait la distinction entre les différents groupes de vertébrés ?

5°) Représentation des relations de parentés = les arbres phylogénétiques : Les arbres phylogénétiques ou arbres de parentés représentent les relations de parentés entre

des groupes d’êtres vivants.

Rappel du chapitre précédent : Le partage d’un caractère commun permet de former des

groupes de parentés = groupes frères qui forment une ramification sur l’arbre.

Chaque groupe frère possède donc un ancêtre commun, il partage un caractère commun.

Anatomie comparée des

systèmes nerveux de quatre

groupes de vertébrés

Diagramme de la disposition des appareils systèmes et organes

des vertébrés selon les axes de polarité

Axe de polarité antéropostérieur

Axe de

polarité

dorso

ventral

Système nerveux

Appareil cardio

respiratoire

Système digestif

Appareil

génital

Appareil

excréteur

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Etant donné que toutes les caractéristiques anatomiques, embryologiques ou métaboliques sont le résultat de l’expression de gènes (voir chapitre précédent) on peut donc affirmer que toute innovation évolutive a une origine génétique.

Ci-contre un arbre phylogénétique des vertébrés obtenu avec le logiciel Phylogène (INRP) les ronds blancs correspondent aux populations de

derniers ancêtres communs à deux groupes frères. les ronds de couleurs correspondent aux innovations

évolutives (apparues chez des ancêtres communs)

Le dernier ancêtre commun à deux groupes frères se situe au nœud à la base de ces deux groupes.

Ainsi, d'après l'arbre ci-contre, on peut dire que le dernier ancêtre commun au Crocodile et à

l'Aigle possédait : des mâchoires, des poumons, un amnios et une fenêtre mandibulaire.

Avec les données anatomiques, embryologiques mais aussi moléculaires (comparaison des séquences des gènes ou des séquences des protéines), on peut ainsi établir une classification phylogénétique plus proche de la réalité. Cet arbre permet aussi de comprendre comment les groupes sont apparus au cours de l’évolution.

Dans l’arbre ci-contre on comprend pourquoi les

scientifiques actuels considèrent que la séparation

des vertébrés en 5 classes est dépassée …

III- L’évolution repose sur deux mécanismes : a- La sélection naturelle :

La sélection naturelle est une variation non aléatoire de la fréquence des allèles. Dans

un milieu donné, certain allèles donnent un avantage aux individus qui les portent. Ils se

reproduisent donc plus et au fur et à mesure des générations, la fréquence des allèles

augmente dans la population. La sélection naturelle explique l’adaptation des espèces à

leur milieu de vie.

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b- La dérive génétique :

La dérive génétique est une variation aléatoire de la fréquence des allèles au cours du

temps dans une population. Elle est une conséquence de la reproduction sexuée, qui

transmet certains allèles seulement aux descendants (chaque gène est représenté par deux

allèles mais un seul des deux est transmis à la cellule germinale)

La dérive génétique est plus marquée lorsque l’effectif de la population est faible, elle

conduit à la disparition de certains allèles et peut provoquer un isolement génétique de

certaines populations d’une espèce.

Elle est donc un élément intervenant dans la formation de nouvelles espèces donc de la

biodiversité des espèces.

L’effet combiné de la dérive génétique et de la sélection naturelle conduit à une

transformation des espèces au cours du temps. Lorsque les différences génétiques entre

populations sont devenues importantes (et que les individus de deux populations différentes ne

peuvent plus se reproduire) on voit apparaitre des nouvelles espèces : c’est la spéciation.

Dérive génétique et sélection naturelle sont deux moteurs de l’évolution du vivant.

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IV- L’évolution de la biodiversité au cours du temps.

La biodiversité actuelle est un moment particulier de la très longue histoire du monde vivant :

les espèces vivantes aujourd’hui ne représentent qu’une infime partie du total des espèces

ayant existé depuis les débuts de la vie sur Terre. Elle s’est modifiée au cours du temps sous

l'effet de nombreux facteurs liés à la nature

1°) Une évolution irrégulière :

Depuis 3,8 milliards d’années la Terre a connu

5 graves crises d’extinctions durant lesquelles

des espèces sont apparues, d’autres ont

disparu, d’autres ont survécu. Graphe de l’évolution de la biodiversité au cours du temps. D’après hors série Pour la Science, juillet 2000 « La valse des espèces »

Ci-dessous = trois reconstitutions des paysages à trois époques géologiques différentes :

Permien : -300 à -250 mA

Jurassique : -200 à -135 mA

Eocène : -55 à -34 mA

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Les principales causes à l’origine des extinctions de masse sont :

Cataclysmes géologiques (éruptions volcaniques, variations du niveau marin, glaciation) ;

Chutes d’astéroïdes ;

Ces évènements provoquent des changements brutaux des milieux, une modification des

relations trophiques… Sur la base des registres fossiles, les paléontologues estiment que la durée de vie moyenne d’une espèce est de 5 millions d’années. Ainsi les espèces qui vivent aujourd’hui autour de nous représentent moins de 2% du nombre total d’espèces apparues sur Terre.

2°) L’homme et son action sur la biodiversité :

L’Homme est une espèce qui a étendu en quelques millions d’années son territoire à

l’ensemble de la planète. La biosphère est pour l’homme, à la fois, un cadre de vie, une source

de nourriture, une banque de matière première et d’énergie.

Il agit rapidement sur la planète :

Il transforme le milieu (sol, climat, végétation)

Il modifie la distribution des espèces animales et végétales (agriculture, élevage,

chasse, pêche)

Il modifie les espèces elles-mêmes, soit indirectement (par les effets précédents)

soit directement (par sélection, création de nouvelles souches, génie génétique)

Il pollue la biosphère : pollutions physiques (radionucléides, bruits), pollutions

chimiques (engrais, pesticides), pollutions biologiques (virus, OGM).

Ces actions sur la biodiversité, laisse craindre, si aucune mesure pour corriger les actions

précédentes n’est prise, une sixième extinction de masse à relatif court terme.

Carte des zones critiques ou hot spots (ed.2000)