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