Écologie et évolution - Notes de cours PDF

Écologie et évolution – Notes de cours Partie 1 – Évolution Module 1 – Introduction et origine de la vie 1. L’apparition de la vie sur la Terre primitive 1.1. Processus nécessaires à l’apparition des cellules 1.1.1. Synthèse abiotique de...

Écologie et évolution – Notes de cours Partie 1 – Évolution Module 1 – Introduction et origine de la vie 1. L’apparition de la vie sur la Terre primitive 1.1. Processus nécessaires à l’apparition des cellules 1.1.1. Synthèse abiotique des composés organiques 1.1.2. Fusion des petites molécules en macromolécules 1.1.3. Formation des protocellules 1.1.4. Apparition des molécules auto-répliquantes 2. Des procaryotes unicellulaires jusqu’aux eucaryotes multicellulaires 2.1. Les premiers unicellulaires 2.2. La photosynthèse et la révolution atmosphérique 2.3. Les premiers eucaryotes 2.4. Les premiers organismes multicellulaires et l’explosion du Cambrien 2.5. La colonisation des milieux terrestres 3. Les extinctions massives 3.1. La sixième vague d’extinctions Vincent Guillemette 101-SN2-RE Hiver 2025  Module 1 – Introduction et origine de la vie Objectifs d’apprentissage : Au terme de ce module, l’étudiant(e) sera en mesure : 1. de définir les termes utilisés dans ce module ; 2. de décrire la composition de l’atmosphère primitive ; 3. d’expliquer les quatre (4) principaux processus menant à l’apparition des cellules et décrire sommairement les expériences réalisées en lien avec chacun de ces processus ; 4. de nommer les processus qui ont permis la révolution atmosphérique ainsi que les nouvelles adaptations possibles par la suite ; 5. d’expliquer l’origine endosymbiote des eucaryotes ainsi que ses preuves ; 6. d’expliquer l’origine de la multicellularité ; 7. de nommer des facteurs favorisant la colonisation des milieux terrestres ; 8. de décrire sommairement les hypothèses en lien avec les extinctions massives. Vincent Guillemette 101-SN2-RE Hiver 2025  1. L’apparition de la vie sur la Terre primitive ❖ Que considère-t-on comme étant de la « vie » ? du vivant. Cellule = plus petite unité structurelle et fonctionnelle ❖ Sous quelle forme les cellules vivantes sont-elles d’abord apparues ? cellules simples sans noyno > - Procaryotes ❖ Repères temporels importants (Voir fig. 25.8 p.584) : (Suite logique) Date approximative (avant l’ère Événements importants commune (AEC)) (selon les archives fossiles) 4 600 000 000 années Formation de la Terre 3 800 000 000 années Apparition des procaryotes 2 400 000 000 années Grande accumulation d’O2 atmosphérique 2 100 000 000 années Apparition des eucaryotes 1 200 000 000 années Premiers eucaryotes multicellulaires 600 000 000 années Premiers eucaryotes multicellulaires complexes 530 000 000 années Explosion du Cambrien 500 000 000 années Colonisation du milieu terrestre (végétaux, eumycètes et animaux) 420 000 000 années Premières plantes vasculaires 365 000 000 années Premiers tétrapodes 120 000 000 années Ancêtres des mammifères modernes 7 000 000 années Divergence de la lignée humaine et des singes anthropoïdes 195 000 années Homo sapiens Si l’histoire de la Terre était ramenée sur une échelle de 1h, il n’y aurait que 0,2 seconde d’écoulée depuis l’apparition de l’être humain. Pour aller plus loin : WhyWhat FR (youtube.com) Vincent Guillemette 101-SN2-RE Hiver 2025  1.1. Processus nécessaires à l’apparition des cellules (Campbell p.576) Après sa formation, la Terre a été bombardée de gigantesques morceaux de roc et de glace pendant environ 600 millions d’années, générant ainsi énormément de chaleur. Puis, les collisions diminuèrent, la chaleur diminua, la vapeur d’eau se condensa créant les océans. tris per oxygénie L’atmosphère était alors ______________________________________ et composée de différentes molécules provenant des éruptions volcaniques : -Azote (N) et ses dérivés oxydés (principal) -Dioxyde de carbone (CO2) -Méthane (CH4) -Ammoniac (NH3) -Hydrogène (H) Dans ces conditions, l’hypothèse est qu’une succession de 4 processus chimique et physique ______________________________________ fut nécessaire à l’apparition de la vie (cellule). Ces processus sont les suivants : 1- Synthèse abiotique des composés organiques 2- Fusion des petites molécules en macromolécules 3- Formation des protocellules 4- Apparition des molécules auto-répliquantes Vincent Guillemette 101-SN2-RE Hiver 2025  1.1.1. Synthèse abiotique des composés organiques (Campbell p.576) molécules organiques Mise en contexte : Formation de ______________________________________ (glucides, lipides, protéines ou acides nucléiques) dans l’environnement, sans vivant. l’intervention d’un ______________________________________. organisme En théorie : ➔ I. A. Oparin et J. B. S. Haldane (1920) : atmosphère primitive était un milieu réducteur où pouvait se former des molécules organiques à partir de molécules fordre et des rayonnement Ur. simples grâce à l’énergie de la ______________________________________. En pratique : ➔ Stanley Miller et Harold Urey (1953) : réussissent à créer des acides aminés en quelques jours en recréant en laboratoire les conditions de la Terre primitive. ➔ Jeffrey Bada, Adam Johnson et al. (2008) : démontrent que ces molécules peuvent être créées en plus grande quantité dans des conditions simulant une eruption volcanique. ______________________________________. (Voir fig. 25.2 p.576) Vincent Guillemette 101-SN2-RE Hiver 2025 Autres hypothèses de l’origine des molécules organiques : → Évents alcalins (Voir fig. 25.3 p.577) : pH (entre 9 et 11) et température (de 40 à 90 degrés Celsius) propice à la formation de la vie dans les océans. → Météorite : 80 acides aminés d’origine extraterrestre ont été retrouvés sur la météorite de Murchinson tombée en Australie en 1969. 1.1.2. Fusion des petites molécules en macromolécules (Campbell p.577) Mise en contexte : Les petites molécules organiques (acides aminés et bases azotées) ne suffisent pas pour permettre l’apparition de la vie. Elles doivent d’abord s’unir et former variété de macromolécules (protéines et acides nucléiques). une grande _____________________________________ Vincent Guillemette 101-SN2-RE Hiver 2025 En pratique : ➔ Étude en 2009 : Démontre que la synthèse de nucléotides d’ARN peut se faire spontanément à partir de précurseur. _________________________________________________________. De plus, ces nucléotides (ainsi que les acides aminés) lier - pervent se polymériser ______________________________________, sans enzymes ni ribosomes, s’ils sont en solution et ajoutés à un substrat chaud (sable, argile ou roche). 1.1.3. Formation des protocellules (Campbell p. 577) Mise en contexte : Tout organisme doit pouvoir se reproduire et utiliser de l’énergie afin de maintenir la « vie ». Les macromolécules doivent donc être isolées dans un milieu externe séparer de leur environement Les. propice à leurs interactions qui est ______________________________________. agrégats de macromolécules nécessitent d’être entouré d’une membrane ou d’une structure apparentée à la membrane (vésicule). En théorie : ➔ Vésicules peuvent se former spontanément lorsque des lipides (ou autres molécules organiques) sont en présence d’eau. ➔ Vésicules peuvent se dédoubler, grossir et absorber certaines molécules. montmorillonite un sédiment d’origine volcanique, commune sur ➔ La ___________________est la Terre primitive et qui facilite l’autoassemblage des vésicules. Vincent Guillemette 101-SN2-RE Hiver 2025 En pratique : plus facilement en présence ➔ Il a été démontré que les vésicules se créent ___________________ de montmorillonite et que ces vésicules peuvent absorber des particules de montmorillonite liées à des molécules organiques (Voir fig. 25.4 p.578). -Arv Vincent Guillemette 101-SN2-RE Hiver 2025  1.1.4. Apparition des molécules auto-répliquantes (Campbell p.578) Mise en contexte : Pour que la vie évolue, les caractères doivent pouvoir se transmettre d'une à l'autre. géneration _________________________________________________________. L’information qui code pour ces caractères se retrouve sur des molécules qui se doivent de pouvoir sair to répliquer ___________________comme les acides nucléiques. En théorie : ➔ Le premier acide nucléique était probablement l’ARN puisque certains ARN comme les ribozymes peuvent fabriquer des copies de courts brins d’ARN. ➔ Si ce type de molécule se retrouve dans une vésicule, le tout pourrait constituer une protocellule capable de réplication. ➔ Le code génétique pourrait donc être transmis et soumis à la sélection naturelle. En pratique : ➔ En laboratoire : la sélection naturelle a produit des ribozymes capables d’autoréplication. ➔ Jack Szostak et al. (2013) : Synthèse d’une vésicule dans laquelle la copie d’un brin d’ARNm était possible Réflexion : Pourquoi l’apparition des protocellules représente-t-elle une étape clé dans l’origine de la vie ? (Campbell p.578) Vincent Guillemette 101-SN2-RE Hiver 2025 2. Des procaryotes unicellulaires jusqu’aux eucaryotes multicellulaires 2.1. Les premiers unicellulaires (Campbell p.581) ➔ Première preuve directe de l’existence de la vie : o 3,8 milliards d’années AEC 3 Avant tere comune o Stromatolites fossilisés : corches minérales formé par des procuryotes _______________________________________________________ (Voir fig. 25.5 p.580) Vincent Guillemette 101-SN2-RE Hiver 2025  2.2. La photosynthèse et la révolution atmosphérique (Campbell p.583) ➔ Atmosphère originelle = très peu d’oxygèneCavant) ➔ La majorité de l’oxygène actuel est d’origine biologique Provient de H20 à cause de la photosytes o _________________________________________________________ o Au départ, procuryole photosynthétique ________________________________________________. · Saturation des mers et des lacs et oxydation du fer dissous o o Puis, accumulation lente dans l’atmosphère de 2,7 à 2,4 milliards d’années AEC. revolution atmosphérique o 2,4 milliards d’années → ____________________________________ accumulation rapide d'O2 atm __________________________________ (Voir fig. 25.9 p.584) * Végétaux terreste ⑧ ➔ Nouvelle pression de sélection, nouvelles adaptations : o Respiration cellulaire aérobique o Cellules eucaryotes (300 millions d’années plus tard) Vincent Guillemette 101-SN2-RE Hiver 2025  2.3. Les premiers eucaryotes (Campbell p. 585) ➔ Apparition : 2,1 milliards d’années AEC pluscomplexe les procaryote. ➔ Structure ______________________________________________________ que o Enveloppe nucléaire o Réticulum endoplasmique o Mitochondries o Cytosquelette mieux développé dosymbiose ➔ Origine : ___________________ en -cellule mange on notre + petite phagocyte o Une cellule procaryote aurait ______________________________ on autre cellule. _________________ qui serait devenue au fil du temps un organite. avantage o Cellule phagocytée procure un ___________________ (ex : respiration cellulaire aérobique) o Première mitochondrie = endosymbionte o Observations en laboratoire : cellules qui étaient d’abord des proies ou des parasites, ont développé une relation symbiotique avec leur hôte en moins de cinq ans de culture. (Voir fig. 25.10 p.586) Vincent Guillemette 101-SN2-RE Hiver 2025  o Autres preuves : ▪ Membranes internes des organites ressemblent aux membranes plasmiques des bactéries actuelles ▪ se répliquent de le in Les mitochondries ___________________________________ façon ___________________ que certaines bactéries. ▪ Les ribosomes des mitochondries ressemblent davantage à ceux des procaryotes qu’à ceux des cellules eucaryotes. Vincent Guillemette 101-SN2-RE Hiver 2025  2.4. Les premiers organismes multicellulaires et l’explosion du Cambrien ➔ Origine de la multicellularité (Campbell p.586) o Mise en contexte : ▪ La structure plus complexe des cellules eucaryotes a engendré plus diversité morphologiam une ______________________________________ grande cellulaire, nouvelles interactions entre ces ce qui a permis de _______________________ multicallularité cellules et éventuellement la ___________________. o Plus anciens fossiles d’eucaryotes multicellulaires → 1,2 milliard d’années AEC (algues rouges) o Eucaryotes multicellulaires plus grands et plus complexes → 600 millions d’années AEC (faune de l’Édiacarien) ➔ Explosion du Cambrien o 535 à 525 millions d’années AEC : Apparition de nombreux embranchement d'animaux ______________________________________contemporains ▪ Éponges ▪ Cnidaires (anémones de mer et méduses) ▪ Mollusques ▪ Arthropodes Aperçu de la faune du Cambrien : https://planet-terre.ens-lyon.fr/objets/Images/fossiles- pluricellulaires-proterozoique/04-faune-Burgess.jpg o Avant le Cambrien → Principalement des herbivores, des filtreurs ou des charognards. Vincent Guillemette 101-SN2-RE Hiver 2025  prédation o Début de la ___________________: Apparition des griffes et d’autres organes pour la captation de proies d'adaptation défensive o Évolution des proies : Apparition ______________________________ (aiguilles pointues et armures corporelles) 2.5. La colonisation des milieux terrestres (Campbell p.587) ➔ 1 milliard d’années AEC : procaryotes photosynthétiques recouvraient les surfaces terrestres humides. ➔ 500 millions d’années AEC : végétaux, eumycètes et animaux o Adaptations prévenant In déshydratation ______________________________________ et permettant la reproduction sur la terre ferme. o 420 000 000 années Premières plantes vasculaires o 365 000 000 années Premiers tétrapodes o 120 000 000 années Ancêtres des mammifères modernes o 7 000 000 années Divergence de la lignée humaine et des singes o 195 000 années Homo sapiens Comment savons-nous cela ? (Campbell p. 579) -Datation radiométrique au carbone 14 (jusqu’à environ 75 000 ans) -Fossiles se forment bien dans la roche sédimentaire -Biais → Organismes qui se fossilisent mieux sont surreprésentés -Pour en savoir plus : https://www.youtube.com/watch?v=CMsK_EuGKkw -Datation de roches volcaniques (jusqu’à des centaines de millions d’années) -Roche volcanique emprisonne les isotopes radioactifs. -Datation des couches entre lesquelles se retrouvent des fossiles. -Estimation par séquençage génétique Vincent Guillemette 101-SN2-RE Hiver 2025  Réflexion : Qu’est-ce qui expliquerait l’origine des cellules eucaryotes ? Quelles informations nous permettent de formuler cette hypothèse ? 3. Les extinctions massives (Campbell p.591) Chronologie Période Ère Hypothèse (En millions d’années AEC) 444 Ordovicien 365 Dévonien 252 Permien Éruption volcanique extrême : augmentation de la Paléozoïque concentration en CO2, augmentation de la température, acidification des océans et hypoxie des plans d’eau. Disparition d’environ 96% des espèces marines. 201 Trias 66 Crétacé Impact avec un astéroïde ou une comète : formation d’un Mésozoïque nuage de débris obstruant le soleil pendant plusieurs mois. Disparition de la moitié des espèces marines, de nombreux végétaux et animaux (ex : dinosaures) terrestres. Vincent Guillemette 101-SN2-RE Hiver 2025  3.1. La sixième vague d’extinction ➔ Depuis 400 ans, disparition d’au moins 1000 espèces. ➔ Taux actuel d’extinction 100 à 1000 fois supérieur à la normale. ➔ Possibilité d’un déclin exponentiel. o Espèces menacées à l’échelle mondiale : ▪ 12% des oiseaux ▪ 21% des mammifères ▪ 32% des amphibiens ▪ Et bien d’autres… Pour en savoir plus et avoir un aperçu des derniers modules : Mesurer la perte de la biodiversité | Data Science | ARTE (youtube.com) Exercices proposés : Campbell (réponses à l’appendice A) : p.578 #1 et 2 p.595 #3 Forms : https://forms.office.com/r/nxcQQDhkqu Vincent Guillemette 101-SN2-RE Hiver 2025