Biologie Animale PDF - Introduction à la Diversité et l'Évolution Animale

Biologie Animale SBIO B104 Diversité et évolution animale I SBIOB126 Introduction 1. Définitions 2. Les mécanismes de l’évolution 3. La diversité biologique à travers l’évolution Frédéric Silvestre – Biologie URBE Mar...

Biologie Animale SBIO B104 Diversité et évolution animale I SBIOB126 Introduction 1. Définitions 2. Les mécanismes de l’évolution 3. La diversité biologique à travers l’évolution Frédéric Silvestre – Biologie URBE Marie-Laurence Hubin, Mélanie Gastellier, Noémie Buratto www.evolution-physiology.be 1 @fsilvestrelab.bsky.social Les animaux Les animaux sont des organismes eucaryotes multicellulaires et hétérotrophes, dont les tissus se développent à partir de feuillets embryonnaires. Protozoaires vs Métazoaires 2 Les animaux Ontogenèse 3 Les animaux 4 Les animaux Phylogenèse 5 L’évolution « Nothing makes sense in biology except in the light of evolution ». Theodosius Dobzhansky 6 L’évolution 7 L’évolution Jean-Baptiste Pierre Antoine de Monet, chevalier de Lamarck Transformisme Les espèces peuvent se transformer en d’autres espèces produisant des lignées qui n’auraient toutefois pas d’origine commune. http://www.lamarck.cnrs.fr/ 8 L’évolution « La Philosophie Zoologique » publiée en 1809. principe de la complexification croissante de l'organisation des êtres vivants sous l'effet de la dynamique interne : hérédité des caractères acquis principe de l’usage et du non-usage : diversification 9 L’évolution W. Paley 1743-1805 10  L’évolution C. Darwin 1809 - 1882 “It is not the strongest of the species that survive, nor the most intelligent, but the one most responsive to change.” Charles Darwin http://www.charlesdarwin.fr 1859 11 L’évolution L’évolution 13 L’évolution 14  L’évolution Les pinsons des îles Galapagos Ils sont issus d’un ancêtre commun qui vivait il y a 1-5 millions d’années L’évolution Le rayonnement adaptatif : en fonction du type de nourriture disponible sur chacune des îles L’évolution 17 L’évolution 18  L’évolution La sélection naturelle p Pour une espèce, l’effectif croîtrait de manière exponentielle si tous les descendants engendrés réussissaient à se reproduire. p Cependant, en dehors des fluctuations saisonnières, la taille des populations reste généralement stable. p Les ressources (espace et nourriture) sont limitées. n La présence d’un nombre d’individus trop élevé par rapport aux ressources du milieu entraîne une lutte pour l’existence (struggle for life) entre les membres d’une population ; une fraction seulement des descendants survit à chaque génération. 19 L’évolution 20 L’évolution p Les caractéristiques des individus d’une population varient énormément ; il n’existe pas deux individus parfaitement identiques. p Les variations sont en grande partie héréditaires. n La survie dépend en partie des caractères héréditaires. Les individus dont la constitution héréditaire favorise leur survie et leur reproduction dans leur environnement sont les plus aptes ; ils produisent vraisemblablement plus de descendants que les autres. n Les individus n’ayant pas les mêmes aptitudes à la survie et à la reproduction, la population se modifie graduellement ; les caractères favorables s’accumulent au fil des générations. 21 L’évolution les individus diffèrent les uns des autres; les individus les mieux adaptés au milieu survivent et se reproduisent davantage; les caractéristiques avantageuses sont héréditaires. Darwin considérait que la vie évolue par une accumulation graduelle de changements minuscules. Il postulait que la sélection naturelle, opérant dans divers contextes et sur de longues périodes, peut rendre compte de toute la diversité de la vie. 22 L’évolution 23 La sélection naturelle à l’œuvre L’évolution du VIH vers des formes pharmacorésistantes. 24 La sélection naturelle à l’œuvre 25 La sélection naturelle à l’œuvre Figure 1.13 The difference between AZT-sensitive versus AZT-resistant reverse transcriptases (a) This cartoon shows how a change in reverse transcriptase's active site might enable it to recognize AZT as an imposter. (b) This image shows the large groove in the reverse transcriptase enzyme where the substrate (RNA) binds. (c) The red spheres on this image indicate the locations of amino acid substitutions correlated with resistance to AZT. 26 Note that they are localized in the enzyme's groove, or active site. From Cohen (1993).  La sélection naturelle à l’œuvre The reverse transcriptase is error prone and HIV genome does not contain DNA repair gene à this generates a population of different virions that are selected by AZT and can reproduce Figure 1.14 How HIV populations evolve resistance to AZT Variation due to mutation, inheritance, and differences in survival due to AZT results in a change in the composition of 27 the population over time. La sélection naturelle à l’oeuvre La valeur adaptative Le darwinian fitness ou valeur adaptative est la probabilité relative de survie et de reproduction d'un génotype. C'est une mesure de la sélection naturelle. C’est la contribution d’un génotype à la génération suivante par rapport à celle des autres génotypes pour le même locus. Elle dépend principalement de la survie entre le stade zygote (oeuf) et le stade adulte, et de la fertilité (nombre de descendants viables capables de se reproduire). Ces deux paramètres déterminent le nombre de descendants produits en moyenne par cette catégorie génotypique. Fitness = Survie X Fécondité La sélection naturelle agit sur les phénotypes !! 28  La sélection naturelle à l’œuvre Exemple: le cormoran des Galapagos Phalacrocorax (Nannopterum) harrisi endémique espèce vulnérable (1338 individus en 2016) incapable de voler (≠28 autres espèces) 29  La sélection naturelle à l’œuvre 1. Absence de pression de sélection pour favoriser le vol (prédateurs, nidification) 2. Pression de sélection pour la recherche de nourriture 30 La sélection naturelle à l’œuvre ailes atrophiées ð meilleure pénétration dans l’eau modification de la structure des plumes ð plus petites et symétriques à l’extérieur ð imperméables à l’intérieur muscles pectoraux atrophiés ð 1,2% du poids total vs 11,5% pour des cormorans volants ð taux basal métabolique plus faible ð supportent mieux le jeûne muscles abdominaux développés ð augmentation de la densité masse corporelle importante ð diminution du rapport surface/volume ð meilleure résistance au froid 31 La sélection naturelle à l’œuvre 32 L’évolution Les homologies anatomiques La ressemblance de caractères résultant d’ancêtres communs est appelée homologie. Rapport d'organes qui, d'une espèce à l'autre, doivent être considérés comme identiques, quelle qu'en soit la forme, en raison des connexions et de la structure. Homology is the relationship among parts of organisms that provides evidence for common ancestry. (Pinna 2012) 33  L’évolution Les homologies anatomiques La ressemblance de caractères résultant d’ancêtres communs est appelée homologie. Rapport d'organes qui, d'une espèce à l'autre, doivent être considérés comme identiques, quelle qu'en soit la forme, en raison des connexions et de la structure. Un caractère synapomorphique, ou synapomorphie est un caractère dérivé partagé par deux ou plusieurs taxons. Des organes homologues sont l'expression d'une synapomorphie mais la synapomorphie ne concerne pas obligatoirement des organes dont il faut détecter l'homologie, elle peut porter sur des organes parfaitement identiques ou elle peut porter sur des caractères qui ne sont pas anatomiques (par exemple biochimiques). 34 L’évolution 35  Les preuves de l’évolution La biogéographie : évolution convergente En biologie de l’évolution, la convergence ou homoplasie est la présence chez deux espèces, de caractères analogues, d’une même adaptation, mais qui n’a pas été hérité d’un ancêtre commun. Elle résulte de deux évolutions indépendantes dans un même type d’environnement. Ex: le phalanger du sucre (marsupial) et l’écureuil volant (placentaire). 36  Les preuves de l’évolution Les archives géologiques Un fossile (dérivé du substantif du verbe latin fodere : fossile, littéralement « qui est fouillé ») est le reste (coquille, os, dent, graine, feuilles...) ou le simple moulage d'un animal ou d'un végétal conservé dans une roche sédimentaire. Les fossiles et les processus de fossilisation sont étudiés principalement dans le cadre de la paléontologie. 38  Les preuves de l’évolution Structures vestigiales Figure 2.13 Transitional fossils documenting the evolution of whales from leggy ancestors (a) Some contemporary whales have a vestigial femur and pelvis. (b) Basilosaurus isis fossils are about 38 million years old. They have reduced hind limbs that probably did not function in swimming. Instead, the legs may have been used as a grasping structure during copulation. From Gingerich et al. (1990). (c) Ambulocetus natans (literally translated, means "walk-whale swimming") fossils are about 50 million years old. They have functional hind limbs that were probably used as paddles in swimming. From Thewissen et al. (1994). 39  Les preuves de l’évolution Les trilobites fossiles 40  Les preuves de l’évolution Chaînon manquant Figure 2.10 A bird with a dinosaur's skeleton and a dinosaur with feathers (a) Archaeopteryx, a bird with modern feathers and a dinosaur-like skeleton. (b) Sinosauropteryx prima, a dinosaur with bristly structures on its neck, back, flanks, and tail that many paleontologists believe are down-like feathers. From Chen et 41al. (1998). La théorie synthétique de l’évolution (1942) Elle intègre la théorie de l'hérédité mendélienne et de la génétique des populations à la théorie darwinienne = néodarwinisme. La théorie particulaire de l’hérédité stipule que les parents transmettent des unités héréditaires discrètes (appelées gènes) qui conservent leur identité une fois transmises. 45 La génétique des populations Une population est un groupe d’individus capable de se reproduire entre eux et de donner naissance à une descendance féconde. Le patrimoine génétique d’une population est l’ensemble des gènes que celle-ci possède à un moment donné. Il comprend donc les allèles de tous les membres de la population. Quelles sont les propriétés d’un patrimoine génétique…qui n’évolue pas ? (équilibre de Hardy-Weinberg). 46 La génétique des populations 1° Pas de mutation 2° Accouplements aléatoires 3° Pas de sélection naturelle 47 La génétique des populations 1° Pas de mutation 2° Accouplements aléatoires 3° Pas de sélection naturelle 4° Pas de flux génétique 48 La génétique des populations 1° Pas de mutation 2° Accouplements aléatoires 3° Pas de sélection naturelle 4° Pas de flux génétique 5° Population de très grande taille ð éviter la dérive génétique 49 La génétique des populations L’effet fondateur 50 La génétique des populations Rétinopathie pigmentaire 51 La génétique des populations L’effet d’étranglement 52 La génétique des populations L’effet d’étranglement L’éléphant de mer du Nord en Californie, Mirounga angustirostris. 53 La génétique des populations Le concept biologique d’espèce Une espèce est une population ou un groupe de populations dont les individus sont en mesure de se reproduire les uns avec les autres dans la nature et d’engendrer une descendance viable et féconde. En d’autres termes, l’espèce représente la plus grande unité de population partageant un pool génétique commun. 56 Le concept biologique d’espèce Les barrières reproductives Barrières prézygotiques 57 Le concept biologique d’espèce Les barrières reproductives Barrières postzygotiques 58 Hybridation des félins 59 La spéciation La spéciation allopatrique et sympatrique 61 La spéciation La spéciation allopatrique Ex: les écureils-antilopes du Grand Canyon 62 La spéciation Le rythme de la spéciation Gradualisme vs équilibres ponctués 63 La spéciation Le rythme de la spéciation Gradualisme vs équilibres ponctués 64 Phylogenèse et systématique La phylogenèse retrace l’histoire de l’évolution d’une espèce ou d’un groupe d’espèces apparentées. Pour ce faire, elle doit recueillir des données sur la morphologie, le développement et la biochimie des organismes actuels mais également sur les formes fossiles. Recherche d’homologies Distinction entre homologies et analogies 65 Phylogenèse et systématique La systématique est l’étude de la diversité des êtres vivants et de leurs relations phylogénétiques. Ou l’étude de la diversité biologique actuelle et ancienne, et des relations entre les organismes, à la lumière de l’évolution. La taxinomie (ou taxonomie) est la désignation et la classification des organismes en catégories selon un ensemble de caractéristiques utilisées pour évaluer les ressemblances et les différences. Carl von Linné (1707-1778) 1748 66 Phylogenèse et systématique La nomenclature binomiale (genre et espèce) La classification hiérarchique Espèce : Panthera pardus Genre : Panthera Famille : Felidae (Félidés) Ordre : Carnivora (Carnivores) Classe : Mammalia (Mammifères) Embranchement : Chordata (Chordés) Règne : Animalia (Animaux) Domaine : Eukarya (Eucaryotes) 67 Phylogenèse et systématique Arbres phylogénétiques 69 La diversité biologique Histoire de la vie sur Terre Tertiaire : diversification des mammifères et des oiseaux Crétacé : extinction de masse (65 Ma) ; mammifères placentaires (125 Ma) Trias : diversification des dinosaures ; mammifères (200 Ma) Permien : diversification des reptiles ; extinction de masse Carbonifère : diversification des amphibiens ; reptiles Dévonien : diversification des poissons osseux ; tétrapodes ; insectes Cambrien : Explosion cambrienne Ediacarien : Faune d’Ediacara 2000 : Fossiles eucaryotes 70 3500 : Fossiles procaryotes La diversité biologique Histoire de la vie sur Terre 71 La diversité biologique Faune d’Ediacara et de Burgess 72 La diversité biologique Faune d’Ediacara les plus anciens fossiles d’animaux connus datent de 575 millions d’années et portent le nom de faune d’Ediacara. 73 La diversité biologique Faune d’Ediacara Charnia Spriggina (Annélide ?) 74 Tribrachidium (Cnidaire ?) La diversité biologique Faune d’Ediacara 75 La diversité biologique L’explosion du Cambrien : schiste de Burgess http://paleobiology.si.edu/burgess/index.html 76 La diversité biologique L’explosion du Cambrien : schiste de Burgess 77 La diversité biologique L’explosion du Cambrien : schiste de Burgess 24 types fondamentaux d’arthropodes dont seulement 4 ont survécu. 78 La diversité biologique L’explosion du Cambrien : schiste de Burgess Premier Chordé connu. 79 La diversité biologique L’explosion du Cambrien : schiste de Burgess 80 La diversité biologique Les extinctions massives 81 La diversité biologique ou biodiversité Définitions Thomas Lovejoy (1980) 82 La diversité biologique ou biodiversité Définitions Campbell : Diversité spécifique d’une communauté écologique, correspondant au nombre d’espèces et à leur abondance relative. 83 La diversité biologique ou biodiversité Définitions Campbell : Diversité spécifique d’une communauté écologique, correspondant au nombre d’espèces et à leur abondance relative. Habitat A Habitat B Richesse spécifique: A = B Diversité spécifique: A > B 84 La diversité biologique ou biodiversité Définitions diversité génétique diversité spécifique diversité des écosystèmes 85 La diversité biologique ou biodiversité Définitions diversité génétique diversité spécifique diversité des écosystèmes Ecosystème : ensemble que forment, dans une aire donnée, la communauté des espèces et les facteurs abiotiques avec lesquels ils interagissent. 86 La diversité biologique ou biodiversité Définitions Population : c’est, à un moment donné, un groupe d’individus d’une même espèce vivant dans une aire géographique donnée. Communauté (ou biocénose) : c’est l’ensemble des organismes de toutes les espèces qui habitent dans une aire donnée. Il s’agit d’un ensemble de populations de différentes espèces. 87 La diversité biologique ou biodiversité Combien d’espèces décrites ? La diversité spécifique Combien d’espèces estimées ? 88  La diversité biologique ou biodiversité https://www.rts.ch/info/sciences-tech/5328907-trois-nouvelles-especes-de-vertebres-decouvertes-en-australie.html 89 La diversité biologique ou biodiversité La diversité spécifique 12% des 10 000 espèces d’oiseaux dans le monde sont en voie d’extinction 24% des 5000 espèces de mammifères sont menacées 20% des espèces de poissons dulcicoles ont disparu ou sont sérieusement menacées 32% des espèces d’amphibiens sont menacées 50% des espèces vivantes aujourd’hui pourraient s’éteindre d’ici 2100 90 La diversité biologique ou biodiversité Causes anthropiques d’extinction d’espèces (http://www.ipcc.ch/) Changements climatiques Espèces invasives Surexploitation Biodiversité Destruction de l’habitat Pollutions 91