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PARENTÉ ENTRE LES ÊTRES VIVANTS ACTUELS ET FOSSILES-

PHYLOGENÈSE

Le constat est que les caractéristiques cellulaires et moléculaires communes des êtres vivants

traduisent une origine commune.

La phylogénie est l'étude de la formation et de l'évolution des organismes vivants en vue d'établir

leur parenté.

Comment établir des relations de parenté entre les êtres vivants ?

Pour établir des relations de parenté entre les êtres vivants, on s’appuie sur l’existence de

ressemblances, les homologies.

1-LES HOMOLOGIES EMBRYONNAIRES

Les embryons de vertébrés ont des organisations très semblables.

Ces homologies embryonnaires permettent donc d’apparenter très étroitement des espèces

2-LES HOMOLOGIES MOLECULAIRES

2.1-Exemple : le cytochrome C

Le cytochrome c est présent chez l’homme, le mouton et la carpe ; elle assure le même rôle

dans leurs cellules.

Homme Mouton Carpe

Homme 5 10

Mouton 6

Carpe

2

On constate que cette molécule a une séquence d’acides aminés très proche chez les trois espèces

considérées : ce sont donc des molécules homologues,

On peut donc apparenter les espèces qui les possèdent : elles partagent une homologie moléculaire.

2.2-Les molécules concernées:

L’homologie moléculaire concerne l’ADN et les protéines.

Lorsqu’il s’agit d’ADN, l’étude porte sur des séquences de nucléotides.

Lorsqu’il s’agit de protéines, l’étude porte sur des séquences d’acides aminés.

2.3-Définition de l’homologie moléculaire

Les molécules homologues sont des molécules similaires dans leur structure et leur fonction.

2.4- Etablissement d’une phylogénie

L'homologie moléculaire témoigne d'une origine commune pour ces molécules et donc une parenté

entre les organismes qui les possèdent.

On considère que plus il y a des ressemblances dans les séquences moléculaires, plus la parenté

des êtres est grande

Ainsi l’Homme est plus proche du mouton que de la carpe.

3-LES HOMOLOGIES ANATOMIQUES

3.1-Exemple : les membres antérieurs de vertébrés.

3.2-Définition de l’homologie anatomique

Deux caractères sont homologues s’ils présentent la même structure mais des fonctions différentes.

3.3- Etablissement d’une phylogénie

Si un caractère commun homologue est décelé chez 2 espèces, on peut en déduire que ce caractère est

hérité d’un ancêtre commun

La présence d’organes homologues permet d’apparenter les espèces qui les possèdent.

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4-DETERMINATION DE LA PHYLOGENIE

4.1-Réalisation d’une matrice taxons/ caractères.

4.1.1-Exemple :

Pour déterminer la phylogénie entre espèces, il faut comparer l’état ancestral et dérivé du caractère

observé.

Les résultats des comparaisons des caractères homologues sont portés dans une matrice

taxons/caractères. Possession d’un état ancestral : 0 / Possession d’un état dérivé : 1

Vache Dipneuste Saumon

Colonne

vertébrale 1 1 1

humérus 1 1 0

Doigts 1 0 0

Qui doit être le plus proche parent du dipneuste, le saumon ou la vache ?

4.1.2-Etat ancestral et dérivé d’un caractère

Un état ancestral est un caractère primitif qui préexiste à une innovation évolutive le concernant

Un état dérivé qualifie un caractère né d’une innovation évolutive affectant un caractère ancestral

primitif

Une innovation évolutive est une nouveauté (apparition, disparition ou transformation d’un caractère)

qui apparaît chez un organisme à la suite d’une mutation.

4.1.3-Lecture d’une matrice

Seul le partage d’états dérivés témoigne d’une relation étroite de parenté : plus des espèces

partagent des caractères dérivés, plus la parenté est étroite

4.2-Réalisation d’un arbre phylogénétique

4.2.1-Exemple :

Un arbre phylogénétique est une représentation des liens de parenté entre différents taxons

Sa construction est basée sur le partage d'états dérivés de caractères homologues.

4.2.2-Signification des éléments de l’arbre :

4

Représentation dans l’arbre phylogénétique Signification

Les nœuds Ancêtre commun

Les rameaux Divergence

Extrémité des branches Taxon

Les tirets Innovation évolutive

4.2.3-L’ancêtre commun exclusif et hypothétique

Chaque noeud de l’arbre correspond à un ancêtre commun

Un ancêtre commun possède tous les caractères dérivés partagés par ses descendants

Un ancêtre commun est Exclusif car il présente des caractéristiques nouvelles, les caractères dérivés,

partagées uniquement par les descendants

- Un ancêtre commun est Hypothétique car il ne correspond pas à des espèces fossiles précises. Ainsi

une espèce fossile ne peut être considérée comme la forme ancestrale à partir de laquelle se sont

différenciées les espèces actuelles.

4.2.4 -Lecture d’un arbre phylogénétique.

Les organismes les plus étroitement apparentés ont un ancêtre commun exclusif partagé que ne

possèdent pas les autres organismes.

Conclusion :

Toutes les espèces vivantes actuelles et toutes les espèces fossiles sont apparentées mais elles le sont

plus ou moins étroitement.

Les homologies anatomiques, embryologiques, moléculaires, observées entre vertébrés mettent en

évidence des parentés entre espèces

Le degré de parenté se détermine par :

-le partage de caractères homologues dérivés

-le nombre de différences entre les molécules homologues

La phylogénie dit qui est plus proche parent de qui mais pas qui descend de qui.

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TD

Principes à retenir

Pour établir des relations de parenté entre les êtres vivants, on s’appuie sur l’existence de ressemblances, les

homologies.

1-les homologies embryonnaires

2-les homologies moléculaires : (ADN ou protéines)

- plus il y a des ressemblances dans les séquences moléculaires, plus la parenté des êtres est grande

3-les homologies anatomiques (même structure, fonctions différentes.)

-plus des espèces partagent des caractères dérivés, plus la parenté est étroite

-Si un caractère commun homologue est décelé chez 2 espèces, on peut en déduire que ce caractère

est hérité d’un ancêtre commun

METHODE DE REDACTION EN PHYLOGENIE

I-CONSTRUCTIONS

Pour placer des innovations évolutives sur un arbre phylogénétique :

1-Pour chaque caractère, dénombrer les taxons le possédant puis classer-les dans l’ordre décroissant.

2-En partant du bas de l’arbre, placez les innovations dans l’ordre décroissant.

II-JUSTIFICATIONS

A-Les caractères de l'ancêtre commun exclusif

« Les caractères de l'ancêtre commun exclusif correspondent aux caractères dérivés partagés uniquement par ses

descendants, ce sont … »

B-Pour identifier les espèces qui sont le plus étroitement apparentées à un taxon

1/Grâce à l’arbre phylogénétique :

« Les organismes les plus étroitement apparentés sont ceux qui ont un ancêtre commun exclusif que ne possèdent pas

les autres organismes. »

2/Grâce à la matrice

« Les animaux qui possèdent les liens de parenté les plus étroits avec un taxon sont ceux qui partagent plus de caractères

dérivés avec lui qu’avec les autres espèces présentées. »

« Ainsi le … partage avec le … , X caractères dérives qui sont … alors qu’il en partage Y (…) avec le … »

« Le … est donc plus proche parent du … »

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QCM 1

1. Le Cobaye possède les caractères suivants : amnios, doigts, placenta et gésier. A-Faux B-Vrai

2. La plus proche parent du Xénope est le: A-Crocodile B-Bonite

3. L'ancêtre commun 2 possède un amnios:

A-oui B-non

4. Le caractère dérivé exclusivement partagé par le crocodile et le kiwi est le gésier. A-Vrai B-Faux

5. L'ancêtre commun 3 a comme caractères : A-amnios, doigts et mâchoires B-gésier, amnios, doigts et mâchoires. C-placenta, amnios, doigts et mâchoires D-gésier et placenta

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QCM 2

1. L’ancêtre commun aux homininés et aux paninés est l'ancêtre n° : A -1 B-15 C-13 D-17

2. D'après cet arbre l'Homme est-il plus proche parent A-du gorille? B-du chimpanzé?

3. La disparition de la queue est un caractère dérivé pour A-tous les Hominoïdes. B-pour les Homininés et les Paninés

4. L'ancêtre commun à tous les primates possédait un nez. A-Faux B-Vrai

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QCM 3

Les Vertébrés possèdent tous des molécules d'hémoglobine ; c'est la molécule qui assure le transport

de l'oxygène dans les hématies. Cette molécule est une protéine formée de deux types de chaînes : α

et β.

Les séquences partielles d'acides aminés de la chaîne β sont indiquées ci-dessous, chaque acide

aminé étant représenté par une lettre. La séquence est complète pour l'hémoglobine de Chat ; les

autres séquences sont alignées : les tirets indiquent un acide aminé identique à celui de la séquence

du Chat à la même position.

On compare des portions de séquences d'acides aminés chez plusieurs Vertébrés.

1.Chez les Vertébrés, les molécules d'hémoglobine sont qualifiées d'homologues, car elles sont semblables dans leur structure et leur fonction, et très proches dans leur séquence peptidique.

A-Faux B-Vrai

2.Plus le nombre de différences entre les séquences d'acides aminés de deux molécules est grand, plus l'ancêtre commun des deux animaux est récent.

A-Faux B-Vrai

3.Le Crocodile est plus proche, phylogénétiquement, du Crapaud que de l'Autruche.

A-Faux B-Vrai

4.Les molécules du Chimpanzé et de l'Homme sont identiques : cela permet d'affirmer que le Chimpanzé est l'ancêtre de l'Homme..

A-Faux B-Vrai

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QCM 4

1.Le plus récent ancêtre commun au dipneuste et au dauphin possède les caractéristiques :

A. vertèbres - mâchoires - squelette osseux - attache des membres par un os sur la ceinture - poumon fonctionnel - bouches avec plaques dentaires

B. vertèbres - mâchoires - squelette osseux - attache des membres par un os sur la ceinture - poumon fonctionnel

C. vertèbres - mâchoires - squelette osseux - attache des membres par un os sur la ceinture

D. mammelles - bouches avec plaques dentaires 2. Les espèces les plus apparentées au Coealacanthe sont A. le thon parce que c'est un poissson B. le dauphin parce qu'il est placé à droite du coealcanthe C. le dauphin et le dipneuste parce qu'il partage un ancêtre commun unique

avec le Coealacanthe

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Exercice 1 *

- En vous appuyant sur les informations extraites du tableau 1a, placez sur l'arbre phylogénétique 1b que vous aurez recopié, les innovations évolutives qui ont conduit à l'état dérivé des caractères considérés. - Indiquez en justifiant votre réponse les caractères de l'ancêtre commun exclusif aux trois espèces : Lézard, Crocodile et Perroquet.

Document 1a : états de quelques caractères chez cinq espèces de Vertébrés

Caractères Cheval Crocodile Lézard Perroquet Tortue

Acide ornithurique 0 1 1 1 1

Amnios 1 1 1 1 1

Fenêtre anté-orbitaire 0 1 0 1 0

Fenêtre sous-orbitaire 0 1 1 1 0

Membrane nictitante 0 1 0 1 0

Plumes 0 0 0 1 0

0 : état ancestral (absence) 1 : état dérivé (présence)

Document 1b : arbre phylogénétique

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Exercice 2 **

Question 1

A partir de l’exploitation des documents, citez les caractères anatomiques du Xénope en précisant leur état.

Question 2 A partir de l’exploitation des documents et de vos connaissances, établissez le (ou les) caractère(s) anatomique(s) de l’ancêtre commun à ces cinq Vertébrés.

Question 3 A partir de l’exploitation des documents, déterminez les deux espèces qui possèdent les relations de parenté les plus étroites.

Document 1 : Matrices taxons / caractères

Saumon Xénope Crocodile Canard Homme

Mâchoire + + + + +

Choanes - + + + +

Gésier - - + + -

Plumes - - - + -

Poils - - - - +

Nombre de

cavités du cœur 2 3 4 4 4

+ : présence - : absence

Les choanes sont des ouvertures crâniennes faisant communiquer les narines extérieures avec la cavité buccale.

Document 2 : Etats primitifs et dérivés des caractères utilisés

Etat primitif Etat dérivé

Mâchoire - +

Choanes - +

Gésier - +

Plumes - +

Poils - +

Nombre de cavités du cœur 2 ou 3 4

+ : présence - : absence

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Exercice 3 **

Question : - Complétez l’arbre phylogénétique en replaçant les innovations évolutives, le taxon manquant et la légende. - Puis, citez en le justifiant les plus proches parents de la Tortue. - Enfin, donnez les caractéristiques du dernier ancêtre commun à la Lamproie, à la Tortue, au Kangourou et à la Chauve-souris.

Document :

Taxon

Caractère

Lamproie Bacille Myxine Tortue Kangourou Méduse Chauve-

souris

Vertèbres + - - + + - +

Crâne + - + + + - +

Mâchoires - - - + + - +

Poils - - - - + - +

Cellule

eucaryote + - + + + + +

+ : présence de l’état dérivé du caractère

- : absence de l’état dérivé du caractère

Bacille Méduse Lamproie Tortue Kangourou Chauve-Souris

Document : Matrice taxons/caractères et arbre phylogénétique partiel correspondant.

?

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Exercice 4 ****

On cherche à préciser les relations de parenté entre cinq espèces actuelles et une espèce fossile de Mammifères. Le document présente un arbre phylogénétique des cinq espèces actuelles; les états de quelques caractères sont précisés dans la tableau.

A partir des informations extraites du tableau de caractères et en explicitant votre raisonnement : - situez sur l'arbre phylogénétique, que vous aurez recopié, les innovations évolutives conduisant aux états dérivés des caractères du tableau, - indiquez les carctères de l'ancêtre commun le plus récent au Tarsier et à l'Indri, - placez l'espèce Australopithecus africanus sur l'arbre phylogénétique.

Document : Arbre phylogénétique de cinq espèces actuelles de Mammifères

Document 2 : Tableau de quelques caractères chez six espèces de Mammifères

narines orbites queue rhinarium

(truffe)

terminaison

des doigts

poils

Australopithecus

africanus rapprochées fermées absente absent ongles présents

Babouin rapprochées fermées présente absent ongles présents

Bonobo rapprochées fermées absente absent ongles présents

Indri écartées ouvertes présente présent ongles présents

Oreillard écartées ouvertes présente présent griffes présents

Tarsier écartées ouvertes présente absent ongles présents Les états dérivés des caractères apparaissent en gras.

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Exercice 5 ***

A partir des seules informations extraites de l'arbre phylogénétique :

Indiquez les caractères de l'ancêtre commun le plus récent du Crocodile et de l'Autruche;

déterminez, de manière argumentée, quel(s) animal(ux) partage(nt) les liens de parenté les plus étroits avec le Serpent.

Document :

Les noms des animaux actuels sont indiqués en caractères normaux. Les noms des animaux fossiles sont indiqués en caractères gras. Les innovations évolutives entraînent l’apparition d’un caractère dérivé. Elles sont représentées par les lettres a, b, c, d, e, f, g et h : a : membres pairs locomoteurs b : deux vertèbres cervicales spécialisées c : amnios d : acide ornithurique e : deux fenêtres temporales f : membrane nictitante g : plumes ou duvet h : une seule fenêtre temporale

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Exercice 8 ***

À partir des seules informations recueillies par l'exploitation du document :

- placez sur l'arbre phylogénétique, que vous aurez recopié, les innovations évolutives

à l'origine des caractères dérivés du tableau,

- citez les caractéristiques du plus récent ancêtre commun à l'Homme, au Chimpanzé

et au Gorille,

- placez l'Orang-outan sur l'arbre phylogénétique et précisez le degré de parenté entre

l'orang-outan et chacune des autres espèces de l'arbre.

Document : Arbre phylogénétique de quelques espèces de Primates actuels :

Tableau des caractères dérivés :

Caractères dérivés Espèces

Gibbon Homme Chimpanzé Gorille Orang-

outan

Absence de queue + + + + +

Fusion prénatale des os du

poignet

- + + + -

Présence d'un sinus frontal - + + + +

Bipédie permanente - + - - -

Le signe + signifie que le caractère dérivé est présent, le signe - signifie qu'il est absent.

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Exercice 9

Placez les innovations évolutives sur l'arbre phylogénétique que vous aurez recopié.

Utilisez ces données pour discuter des relations de parenté de Moeritherium avec l'éléphant et

le lamantin.

Document :

a. Phylogénie de quelques mammifères

D'après L'Evolution - Belin - Pour La Science

b. Tableau de caractères chez quelques mammifères

Remplacement

Dentaire

Position

de l'orbite

par

rapport au

crâne

Forme de

l'os

tympanique

Trou auditif

externe

circonscrit ou

non par l'os

squamosal

Position

des fosses

nasales par

rapport aux

orbites

Cheval Vertical en arrière non en

goutte Non circonscrit au dessous

Lamantin horizontal en avant en goutte Non circonscrit au dessous

Dugong Vertical en avant en goutte Non circonscrit au dessous

Moeritherium Vertical en avant non en

goutte circonscrit au dessous

Eléphant horizontal en avant non en

goutte circonscrit au dessus

Les états dérivés des caractères apparaissent en gras

17

1. ST MICHEL 2007

2. DAHNIER 2007

18

ST MICHEL 2005

CEERRF 2007