Biologie de Campbell #26 - La phylogenèse et l'arbre de la vie

• La phylogenèse est l'histoire de l'évolution d'une espèce ou d'un groupe d'espèces apparentées.
  

• La systématique est une discipline dont l'objectif est de classifier les organismes et d'établir leurs liens évolutifs.

• La taxinomie est la désignation et classification des organismes.

   

LA PHYLOGENÈSE RÉVÈLE LES LIENS ÉVOLUTIFS

Pour éviter toute confusion, les biologistes désignent les organismes étudiés par leurs noms scientifiques. Ce sont des appellations formées de deux mots latins, elles constituent la nomenclature binominale. Le premier nom scientifique indique le genre, le deuxième nom indique l'espèce en tant que telle. Par exemple : Panthera pardus pour le léopard.

En plus de baptiser plus de 11000 espèces, Linné les a aussi classées hiérarchiquement. Cette classification initiale a évolué pour se stabiliser sous la forme suivante de classification classique. Voici un exemple pour le léopard :

• Espèce : Panthera pardus
• Genre : Panthera
• Famille : Félidés
• Ordre : Carnivores
• Classe : Mammifères
• Embranchement : Cordés
• Règne : Animaux
• Domaine : Eucaryotes (les 2 autres sont Bactéries et Archées)

Un rang taxinomique est appelé taxon, peu importe sa catégorie de placement. Donc chaque ligne ci-dessus est un taxon.

Les catégories plus vastes ne sont souvent pas comparables entre lignées. Par exemple, un ordre d'escargots ne présentera pas nécessairement le même degré de diversité morphologique ou génétique qu'un ordre de mammifères. L'arrangement des espèces selon des ordres, classes, etc., suit souvent mais pas nécessairement l'histoire évolutive.

On peut représenter l'histoire évolutive d'un groupe d'organismes dans un diagramme arborescent appelé arbre phylogénétique. Deux points importants :

• Ces arbres ne donnent aucune information sur les "dates" des divers embranchements.
• Un taxon n'est pas le fruit de l'évolution d'un taxon voisin (exemple classique des chimpanzés et humains).
  

LA PHYLOGENÈSE REPOSE SUR DES DONNÉES MORPHOLOGIQUES ET MOLÉCULAIRES

• Les ressemblances entre organismes attribuables à des ascendances communes sont des homologies.

• Les ressemblances entre organismes attribuables à la convergence évolutionnaire sont des analogies.

On devine que les analyses génétiques aident à faire la différence entre les deux, mais les analyses morphologiques le peuvent aussi. En effet, des organismes analogiques pourront par évolution convergente avoir évolué des formes semblables avec des éléments constitutifs différents (structure de l'ossature, etc.), alors que des organismes homologues auront bien plus de ressemblances dans leurs éléments constitutifs.

LES ARBRES PHYLOGÉNIQUES SONT CONSTRUITS A PARTIR DE CARACTÈRES COMMUNS

La cladistique est une méthode relevant de la systématique dont le principal critère de classification est l'ancêtre commun. Un clade comprend espèce ancestrale et tous ses descendants. Un clade inclut toujours les espèces descendantes, contrairement au taxon, qui peut n'évoquer qu'un clade, règne, genre, etc.

Pour les mammifères, par exemple :

• La colonne vertébrale est un caractère ancestral commun : un caractère qui précède le taxon.
• En revanche, la pilosité est un caractère dérivé commun : innovation exclusive à ce clade.

Il est donc possible d'utiliser les caractères dérivés pour déduire la chronologie évolutionnaire. En effet, les clades possédant un caractère dérivé commun se rejoignent dans le passé au d'un même ancêtre commun. Quelques exemples de ces caractères : quatre membres locomoteurs, mâchoires articulées, colonne vertébrale...

Rappelons que tout arbre phylogénétique est une hypothèse.

LE GÉNOME RECÈLE L'HISTOIRE ÉVOLUTIVE DE TOUT ORGANISME

Les divers types de gènes peuvent évoluer à différentes vitesses. En conséquence, en fonction du type du type de gène, on peut étudier des périodes évolutives courtes ou longues. Par exemple, l'ARNr (ARN ribosomique) évolue relativement lentement, elle est donc utilisée quand on étudie des taxons qui ont divergé il y a des centaines de millions d'années. A l'inverse, l'ADNmt (ADN mitochondrial) évolue relativement lentement et permet d'étudier par exemple des périodes qui remontent à quelques dizaines de milliers d'années.

LES HORLOGES MOLÉCULAIRES RENDENT COMPTE DU TEMPS DE L'ÉVOLUTION

Le concept d'horloge moléculaire est une approche qui sert à mesurer le temps absolu des changements évolutifs à partir de l'observation que certaines régions du génome auraient évolué à vitesse constante. Même ces gènes-là ne sont "précis" qu'au sens statistique.

Par ailleurs, certains gènes évoluent un million de fois plus rapidement que d'autres. En effet, certaines mutations sont neutres à l'égard de la sélection naturelle. Si les mutations restent neutres, elles sont pas supprimées ni favorisées par la sélection naturelle et elles se produisent alors simplement selon la fréquence moyenne de mutation. Les gènes dont l'importance est forte changent lentement, car la plupart des mutations auront tendance à avoir un fort effet nuisible ; à l'inverse, les gènes dont l'importance est moindre peuvent subir plus de modifications neutres et changent donc plus rapidement.

L'horloge moléculaire n'a évidemment qu'une précision toute relative, mais il existe des méthodes bien plus avancées que ce qui est brièvement évoqué ici.

DE NOUVELLES DONNÉES CONTINUENT D'ENRICHIR LA COMPRÉHENSION DE L'ARBRE DE LA VIE

Par exemple, jusqu'aux années 1960, la vie avait été classée en deux règnes, les végétaux et les animaux. On s'est ensuite accordé sur 5 règnes : végétaux, eumycètes, animaux, monères (procaryotes), protistes. L'analyse génétique a permis de dépasser cette classification en remarquant les différences considérables entre certains procaryotes.

On s'est alors accordé sur un système à trois domaines, situés au-dessus des règnes : bactéries, archées et eucaryotes. Les deux domaines procaryotes (bactéries et archées) ne renferment que des organismes unicellulaires. Le règne des monères est tombé en désuétude quand on a constaté que ses membres provenaient de deux domaines différents, quant au règne des protistes, il s'est aussi effondré car certains des organismes qu'il renfermait étaient plus proches des végétaux, eumycètes ou animaux. 

On sait qu'il y a eu d'importants mouvements de gènes entre les organismes par transfert horizontal, un processus au cours duquel des gènes passent d'un génome à un autre grâce à des mécanismes comme les infections virales, la fusion d'organismes différents, etc. En conséquence, les arbres phylogéniques construits à partir de gènes différents peuvent donner des résultats différents, car tous les gènes ne sont pas transmis linéairement, d'ancêtre à descendants. Ainsi l'arbre de la vie pourrait comporter une bonne part d'enchevêtrements en plus des classiques lignes.