Diversification des êtres vivants

Chapitre 5

Thème 2 : La Terre dans l’Univers, la vie et

l’évolution du vivant Partie A : Génétique et évolution

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La diversification des êtres vivants s’explique par les mutations et les brassages génétiques au cours de la méiose et de la fécondation, mais seulement en partie. En effet, d’autres mécanismes, génétiques et non génétiques, sont à l’origine de la diversification du vivant. Nous partirons d’exemples pour mettre en évidence ces différents mécanismes.

I. La diversification génétique des êtres vivants

1. La diversification chez les végétaux angiospermes : le blé

Exercice : Spartina anglica

Livre doc 1 p 36

Angiosperme : Végétal dont les organes reproducteurs sont condensés en une fleur et dont les graines fécondées sont enfermées dans un fruit. (Chêne, marguerite…) Deux types de grains de blé sont utilisés dans l’alimentation : le blé dur pour l’industrie des pâtes et le blé tendre pour la panification. En comparant le génome des plantes donnant ces deux types de grains, on s’est aperçu que le nombre de chromosomes n’était pas identique : 28 chromosomes pour le blé dur et 42 chromosomes pour le blé tendre, alors que les espèces ancestrales ne comportent que 14 chromosomes. Le nombre de chromosomes semble s’être additionné : 14+14 = 28, 28+14 = 42. Les deux espèces de blé actuellement cultivées sont issues de croisement interspécifiques entre trois espèces ancestrales diploïdes. Ainsi le blé dur est tétraploïde, issu du croisement d’un diploïde 2n=14 (du genre Sitopsis) avec un autre diploïde 2n=14 (espèce Triticum urartu). La formule chromosomique s’écrit 2n = 4x = 28. Le blé tendre est hexaploïde avec 2n = 6x = 42 et est issu du croisement du blé dur (Triticum turgidum) avec un blé diploïde (Aegilops tauschii)). Ce mécanisme conduit donc à l’apparition de variabilité génétique chez les plantes et donc de diversification. Ce processus très commun est associé à l’apparition de nouvelles espèces, 70% des angiospermes ont eu au moins un épisode de polyploïdisation au cours de leur évolution. Polyploïde : Une espèce/forme polyploïde contient plus de deux jeux complets de chromosomes. (voir photo caryotype Paspalum quadrifarium) Polyploïdie : agrégation de plusieurs génomes.

2. La diversification chez les bilatériens : le rôle des gènes du développement Les bilatériens sont des métazoaires eucaryotes à symétrie bilatérale.

protostomiens : arthropodes et mollusques

deutérostomiens : vertébrés et échinodermes (sym. Bilatérales au stade larvaire uniquement) La principale innovation chez les bilatériens, ce sont les gènes du développement. La comparaison des séquences nucléotidiques de ces gènes chez différents bilatériens indique un haut degré de similitudes. Ceci est une preuve de l’existence d’un ancêtre commun qui possédait les versions ancestrales de ces gènes.

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Les gènes du développement se répartissent en trois catégories :

les gènes de structure : ils sont responsables de la construction des organes (ouvriers : qui

bâtissent)

les gènes homéotiques (gènes architectes notés Hox) : Les gènes architectes sont un petit nombre

de gènes qui envoient des ordres aux gènes de structure et commandent ainsi aux diverses

opérations visant à lancer des développements du corps, de la tête, des membres. (architecte : celui

qui donne le plan de la maison et répartit les tâches)

les gènes régulateurs supérieurs : ils réalisent le pilotage, l’activation et l’arrêt des gènes

architecte. (chef de chantier : celui qui ordonne d’agir ou d’arrêter le travail)

On a longtemps cru qu’il fallait un très grand nombre de mutations, lentement accumulées dans le génome, pour obtenir une autre espèce, en particulier pour obtenir un nouveau plan d’organisation. Les différences morphologiques et anatomiques entre les bilatériens ne proviennent pas directement de différences entre les génomes. Ces différences résultent davantage de variations dans la chronologie et l’intensité de l’expression des gènes homéotiques. Exemple des Membracidés et des épinoches.

Les gènes homéotiques s’expriment successivement suivant leur place dans le cordon ADN correspondent non seulement à l’ordre des zones du corps mais aussi à l’ordre temporel de fabrication de ces zones. Il y a une durée d’expression de chaque gène. Il y a un début et une fin de l’intervention de chaque gène qui est déterminée par l’action d’un gène régulateur. Celui-ci peut activer ou inhiber le gène Hox. Les gènes Hox ne se contentent pas de fabriquer un membre ou un système comme le système urogénital, ils précisent dans quelle direction le membre ou l’organisme doit se développer. Au fur et à mesure de la différenciation cellulaire, les cellules vont savoir se grouper en fonction de leur type grâce à des messages intercellulaires et cette transformation est irréversible. Ce phénomène est non seulement spatial mais temporel. En fonction du temps passé à la réalisation de telle ou telle tâche du programme, la tâche suivante sera ou non enclenchée, avancée ou retardée. De petites mutations sur les gènes Hox peuvent causer des modifications importantes des horloges du développement, entraînant des changements morphologiques radicaux. Un gène Hox va bien lancer la fabrication d’un œil, mais ce gène est seulement un gène de pilotage de milliers d’autres gènes de structure.

Les gènes à homéoboîte sont des régulateurs de transcription, activateurs ou inhibiteurs suivant les cas : ils sont en quelque sorte des gènes « maîtres », qui dirigent l’expression d’autres gènes. Prenons l’exemple des gènes homéotiques animaux, qui possèdent tous l’homéoboîte : cette séquence code un peptide de 60 acides aminés, appelé homéodomaine, qui possède dans sa structure secondaire trois hélices a lui permettant de se fixer à l’ADN. L’homéodomaine régule ainsi la transcription d’autres gènes.

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Gould écrit dans « Quand les poules auront des dents » : « Nous avons trois niveaux hiérarchiques de contrôle : les gènes de structure qui construisent les différentes parties de chaque segment, les gènes régulateurs homéotiques qui déclenchent la mise en service des batteries de gènes de structure, et les gènes régulateurs supérieurs qui déclenchent la mise en service des gènes homéotiques au moment et à l’endroit voulu. »

3. La diversification chez les mammifères : origine des placentaires Dans la classe des mammifères, il y a 3 sous classes :

Les monotrèmes (prothériens) : ornithorynque, échidné Les marsupiaux (métathériens) : kangourou, koala, opossum Les placentaires (euthériens) : vache, Homme

Les premiers mammifères étaient contemporains des dinosaures. L’extinction de ces derniers a permis la radiation évolutive des mammifères qui a été rapide et explosive, c'est-à-dire l’augmentation du nombre de familles et d’espèces à partir d’un nombre réduit initial de mammifères. La particularité des mammifères euthériens est d’avoir un mode de reproduction qui permet au petit d’achever son développement embryonnaire puis fœtal dans la poche amniotique, grâce au placenta. Cette structure fœto-maternelle permet la nutrition du petit.

TP Origine du placenta Les gènes des syncytines 1 et 2 sont d’origine virale. C’est un exemple de diversification du vivant par intégration dans le génome d’une espèce, de gènes appartenant à une autre espèce. Toute espèce de mammifères est donc un OGM naturel. L’incorporation d’un provirus dans le génome d’une espèce résulte d’un transfert horizontal. En revanche la transmission du provirus au cours des générations successives d’une espèce, puis de celles qui en dérivent, résulte d’un transfert vertical classique. Cette étude sur la présence de gènes rétroviraux dans le génome des mammifères révèle l'importance du transfert horizontal de gènes dans les processus de diversification du vivant.

II. La diversification non génétique des êtres vivants

1. La diversification par solidarité : Les lichens et autres exemples Certains organismes vivent en association étroite avec un autre organisme, avec un bénéfice réciproque : on parle de symbiose. Les symbioses montrent que les deux partenaires sont interdépendants. Ils développent certaines caractéristiques qu’ils ne développeraient pas seuls. Ainsi la symbiose est un moyen de diversification des espèces sans intervention sur le génome.

Le lichen (voir TP) Le lichen est une association entre une algue et un champignon. L’un sans l’autre, ils ne sont que des amas de cellules désorganisées. Le champignon apporte à l’algue l’eau et les éléments minéraux dont elle a besoin pour effectuer la photosynthèse : il empêche sa déshydratation en l’enveloppant de ses filaments mycéliens. De son côté, l’algue nourrit le champignon des sucres qu’elle élabore grâce à la photosynthèse. Ce genre d’association est appelée symbiose car le bénéfice est mutuel. De plus, ils contrôlent mutuellement leur croissance l’algue apportant des vitamines au champignon, le champignon des antibiotiques qui protège l’algue. Mais cette association permet aussi de produire d’autres molécules qui ne seraient pas produites ni par l’algue ni par le champignon s’ils étaient seule. Notamment de la pariétine (pigment jaune orangé) chez la Xanthurie des murailles qui protège la symbiose contre les UV. La quantité produite de cette molécule est fonction de l’intensité lumineuse. Livre p 40 et 41

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Les nodosités du soja (doc 1 p 40 Les nodosités du soja correspondent renflements emplis de bactéries du genre Rhizobium. Ces nodosités se forment

surtout chez la famille des Fabacées (soja, haricot, trèfle, Luzerne). D’après le document 1.c, la radioactivité (CO2

marqué radioactivement, utilisé par la plante pour faire du saccharose) dans le cytoplasme des cellules racinaires

diminue tandis qu’elle augmente dans les bactéries des nodosités. Cela signifie que les bactéries prélèvent dans les

racines le saccharose fabriqué par la plante.

Le document 1.d permet de comprendre que l’association avec les bactéries Rhizobium permet à la plante une

meilleure croissance grâce à une meilleure photosynthèse produisant davantage de molécules organiques

constitutives de la plante. Ceci étant permis grâce à un meilleur apport en azote, rendu possible grâce aux bactéries.

Les coraux (doc 2 p 40) Un cnidaire sans zooxanthelle va absorber moins de phosphate et d’ammonium qu’il n’en rejette. Un cnidaire avec zooxanthelle va absorber davantage d’ammonium et de phosphate qu’il en rejette. Les zooxanthelles permettent donc une meilleure absorption des éléments minéraux. Ces zooxanthelles sont photosynthétiques. Seules, elles fixent très peu le carbone et de moins en moins avec le temps. En présence d’un broyat de cnidaire, leur fixation est multipliée par 7 environ et est croissante au cours du temps. Seules, les zooxanthelles rejettent de moins en moins de matières organiques dans le milieu au cours du temps tandis qu’elles en rejettent beaucoup plus (x 1,5) en présence de leur hôte. Cela signifie que la zooxanthelle a une photosynthèse plus efficace et produit plus de matière organique quand elle est en symbiose avec le cnidaire qui peut la prélever pour sa propre croissance.

La mycorhize du basilic Etymologiquement, mycorhize signifie « racine associée au champignon » correspond à l’association des racines

d’une plante avec un champignon. Le basilic, associé à un champignon, voit sa croissance s’accélérer par rapport à

un basilic non mycorhizé.

Dans une mycorhize, le lien entre le champignon et la racine peut être plus ou moins étroit. Les filaments du

champignon peuvent s’infiltrer à l’intérieur des cellules des racines. Ce type de mycorhize se rencontre dans 80% des

espèces végétales (surtout les herbacées). Les filaments peuvent former un manchon fongique autour de l’extrémité

des racines (les filaments mycéliens entourent, enlacent les racines). Cent à cent cinquante espèces de champignons

vivent à l’état mycorhizé uniquement. Pour les autres, la mycorhize est facultative.

Les relations du champignon et de la plante sont nécessaires à la vie l’un de l’autre :

Les mycéliums permettent un prélèvement plus important en eau et sels minéraux (surtout azote et phosphore. Ils ont la capacité de pomper ces éléments minéraux déterminant pour la croissance des arbres) par les racines.

Le champignon produit une hormone de croissance favorisant le développement du système racinaire.

Le champignon élabore des antibiotiques qui protègent les racines de bactéries pathogènes.

La plante apporte au champignon les produits de la photosynthèse (glucose)- qui s’est effectuée au niveau des feuilles- pour s’en nourrir car incapable de fabriquer sa propre matière organique (comme les animaux). Il synthétise du glycogène à partir de ce glucose.

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2. La diversification par transmission : l’héritage culturel

Livre p 42-43

Chez le Pinson, le chant n’est pas héréditaire, le chant se transmet d’un adulte à un jeune. En effet, un jeune élevé

seul aura un chant qui ne correspond en rien à l’adulte témoin tandis qu’un pinson élevé avec un adulte et d’autres

congénères aura un chant assez proche de l’adulte témoin. Le pinson rendu sourd aura un son totalement distinct du

chant de l’adulte témoin.

Les pinsons des arbres ont leur propre chant selon la région dans laquelle ils vivent. Ils ne sont pas reconnus comme

congénère dans une autre région car leur chant diverge.

La diversité des pinsons, basée sur leur chant, n’est pas d’origine génétique. Le chant est transmis au congénère grâce à l’imitation. La transmission de comportements (techniques, langages, chants) peut permettre la diversification au sein d’une espèce en influençant la sélection naturelle.