Thème 1 : La Terre dans l`Univers, la vie et l`évolution du vivant
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Seconde 2011-2012 Fabien DUBOIS Thème 1 : La Terre dans l'Univers, la vie et l'évolution du vivant. Chapitre 4 : Diversité et parenté au sein des Vertébrés Comme nous l'avons précédemment étudié, les êtres vivants partagent de nombreux caractères indiquant une histoire commune et une grande parenté : - l'ADN est le support de l'information génétique : sa structure, son expression, son code génétique sont universels - la cellule est l'unité de structure et de fonction de tous les êtres vivants : elle est limitée par une membrane plasmique séparant le cytoplasme du milieu extérieur et elle est le lieu des réactions chimiques nécessaires au fonctionnement cellulaire : le métabolisme. Certains organismes partagent plus de caractères en commun, ils sont plus proches les uns des autres qu'avec l'ensemble des êtres vivants. C'est le cas notamment des vertébrés que nous allons étudié. 1- Le plan d'organisation des Vertébrés : Dans la classification actuelle, les vertébrés constituent un groupe où sont rangés des espèces en apparence très différentes. Par contre ces animaux possèdent plusieurs caractères dérivés qui leur sont propres : - un squelette interne osseux ou cartilagineux avec une colonne vertébrale (vertèbres) et un système nerveux dorsal en forme de tube (moelle épinière) - une symétrie bilatérale, un plan unique qui permet de diviser le corps en deux parties semblables et qui détermine trois axes de polarité. - une régulation nerveuse du cœur Tous les vertébrés présentent une symétrie bilatérale qui détermine trois axes de polarité : - l'axe antéro-postérieur, marqué par la succession tête (qui porte les organes sensoriels), tronc (qui porte deux paires de membres) et la queue (en arrière d'un orifice appelé anus).. - l'axe dorso-ventral , marqué par la positon dorsale de la colonne vertébrale et la position ventrale de la cage thoracique. - l'axe gauche-droite, qui définit les parties droite et gauche du corps et qui est marqué par un placement symétrique des membres de part et d'autre de la colonne vertébrale. Doc.1 : Trois axes de polarité chez la Souris 1 Seconde 2011-2012 Fabien DUBOIS On appelle plan d'organisation d'un organisme, la disposition des différents organes les uns par rapport aux autres et par rapport aux axes de polarité (un axe de polarité indique deux côtés qui ne sont pas (ou pas complètement) symétriques). La présence de trois axes de polarité s'observe chez tous les vertébrés, sans exception : Doc.2 : Axes de polarité chez le Poisson 1-1 : La disposition des organes internes : TP8 La Souris et la Grenouille disséquée en TP ont des organisations semblables : ils possèdent tous les deux des organes pairs (reins, gonades, …) disposés de part et d'autre du plan de symétrie bilatérale, et des organes impairs (intestin, foie, cœur, ….). La position de ces organes, le long des axes antéro-postérieur et dorso-ventral est similaire chez chacun d'eux et chez l'ensemble des Vertébrés. Doc.3 : Diagramme de polarité des organes internes d'un Vertébré Pour en savoir plus avec Internet : - http://mariemarie0000.free.fr/fichiers/images/frog.swf anglais. 2 : un lien vers une dissection virtuelle de grenouille, en Seconde 2011-2012 Fabien DUBOIS Ces études permettent de préciser une disposition commune aux Vertébrés des organes internes : Doc.4 : Coupe schématique de la disposition des organes internes chez les vertébrés. 1-2 : L'étude de l'organisation du squelette des vertébrés : Le squelette a pour rôle de protéger le poids du corps, de permettre sa mobilité et de protéger les organes internes. On distingue le squelette du crâne, le squelette axial (cage thoracique, colonne vertébrale et sternum) et le squelette appendiculaire (les os des membres). 3 Seconde 2011-2012 Fabien DUBOIS 4 Seconde 2011-2012 Fabien DUBOIS Question 1 page 81 : Chez ces trois vertébrés, le squelette est constitué du crâne, de la colonne vertébrale formée de nombreuses vertèbres, et du squelette des membres, pairs antérieurs et postérieurs, rattaché à des ceintures (pectorale pour les os des membres supérieurs et pelvienne pour les os des membres inférieurs). Chez la carpe, les nageoires dorsale, anale et caudale, impaires possèdent aussi un squelette osseux. Question 2 page 81 : Dans les deux cas, on reconnaît trois parties organisées de la même façon : bras avec un seul os, avant-bras formé de deux os, poignet comprenant plusieurs os et doigts. Question 3 page 81 : La nageoire pectorale de la carpe comprend des pièces basales nombreuses, rattachées à la ceinture pectorale, et de très nombreux fin rayons osseux. La nageoire du dauphin est constituée de trois parties identiques à celle de l'homme ou du fossile Acanthostega. Doc.5 : Organisation de nageoires de quelques Poissons Question 4 page 81 : Le squelette d'un membre tétrapode comprend trois parties caractéristiques avec des os caractéristiques. Or l »homme, le dauphin et le lézard ont le même squelette de membre que le fossile Acanthostega donc des espèces sont des tétrapodes. L'organisation du squelette de la nageoire de la carpe est différent, cette espèce n'est donc pas un tétrapode. Bien qu'ils appartiennent à des organismes dont le milieu de vie est très différent (terre, eau, air) les membres antérieurs de ces vertébrés ont la même organisation (1os, 2 os, plusieurs os). Cette homologie anatomique signifie qu'ils descendent d'un ancêtre commun. Doc.6 : Organisation du squelette de quelques vertébrés fossiles et actuels. 5 Seconde 2011-2012 Fabien DUBOIS Question 5 page 81 : Tous les vertébrés possèdent un squelette osseux qui comprend un crâne et une colonne vertébrale formée de vertèbres. Acanthostega, le lézard, le dauphin et l'homme possèdent des membres dont le squelette est organisé en trois parties. Le squelette des nageoires paires de la carpe est très différent, formée de nombreuses pièces basales et de nombreux rayons osseux. La disposition du système nerveux et de l'appareil digestif suggère également la présence d'un ancêtre commun aux vertébrés, donc une parenté proche des organismes de ce groupe. Pour en savoir plus avec Internet : sur l'organisation du tube digestif des vertébrés : http://mon.univ-montp2.fr/claroline/backends/download.php? url=L2NtMy5wZGY=&cidReset=true&cidReq=ULBI302 Le plan d'organisation est déterminé génétiquement, c'est un caractère héréditaire. Ce plan d'organisation est défini par la disposition des organes externes et internes selon trois axes de polarité. Ce plan d'organisation est commun à tous les Vertébrés, il est l'indice qu'ils sont apparentés, qu'ils ont un ancêtre commun qui leur a transmis ces caractères. 2- La recherche de parentés au sein des vertébrés : TP9 L’établissement de relations de parenté entre les êtres vivants actuels et fossiles se fait par comparaison de caractères, c’est à dire d’attributs observables de l’organisme. Au cours de l'évolution des espèces, de nouveaux caractères apparaissent à partir de l'évolution de caractères existants : les caractères à l'état ancestral se transforme et donne un caractère nouveau ou caractère à l'état évolué. Cette évolution conférant un avantage à l'espèce chez qui elle apparaît est transmise à la descendance. L’état dérivé ou évolué est celui qui est apparu le plus récemment au cours des temps géologiques. On établit les relations de parenté par la recherche du partage de caractères évolués, qui indique qu’il est hérité d’un ancêtre commun : deux espèces plus apparentées entre elles qu’à d’autres espèces possèdent un ancêtre commun exclusif. Elles ont hérité de lui un certain nombre de caractères à l’état dérivé que ne possèdent aucune des autres espèces de l’échantillon chez qui ces caractères sont à l’état primitif. Un arbre phylogénétique ou arbre de parenté est une figure qui traduit les relations de parenté entre un ensemble d’êtres vivants, actuels ou fossiles. - Chaque nouvelle branche doit être justifiée par l’apparition d’une nouveauté évolutive, apparue chez un organisme qui la transmise à tous ses descendants : une nouveauté évolutive peut être l’apparition d’un plan d’organisation, d’un nouvel organe, d’une nouvelle molécule ou encore sa disparition ou sa transformation. L’état qui préexistait sera qualifié d’ancestral ou primitif par rapport au nouvel état qualifié de dérivé ou d’évolué. - Un nœud correspond à la population des derniers ancêtres communs à partir de laquelle ont émergé deux groupes différents par leurs caractéristiques - Le degré de parenté entre des espèces dépend de l’éloignement de leur plus récent ancêtre commun : plus cet ancêtre est proche, plus leur parenté est grande. - On construit ainsi une arborescence traduisant les liens de parenté entre les différents groupes de Vertébrés . Chaque nœud ne représente un ancêtre connu mais un ancêtre virtuel chez lequel est apparue une innovation qui a ensuite été transmise à la descendance (aucun fossile ne peut ainsi être placé à un nœud) 6 Seconde 2011-2012 Fabien DUBOIS Doc.7 : Arbre de parenté entre espèces de vertébrés. Correction des exercices pages 86-87 du manuel : Exercice n°4 : - saisir des informations : chez les deux embryons, la tête et la queue définissent un axe antéro-postérieur. La face dorsale, au niveau de laquelle on observe des structures segmentées, et la face ventrale définissent l'axe de polarité dorso-ventral. Ces deux axes de polarité définissent un plan de symétrie. De part et d'autre de cet axe, on observe des organes pairs comme les yeux. - raisonner : l'organisation des deux embryons rappelle le plan d'organisation des vertébrés adultes. Les structures segmentées dorsales sont les futures vertèbres. Les ébauches de membres sont à l'origine des 4 membres caractéristiques des vertébrés. - conclure : les deux embryons présentent tous les deux un plan d'organisation dans lequel on retrouve : des ébauches de futures vertèbres donc de la colonne vertébrale en position dorsale, deux paires d'ébauches de membres et des organes pairs comme les yeux. Tous ces points communs suggèrent une parenté entre la souris et le poulet. 7 Seconde 2011-2012 Fabien DUBOIS Exercice n°5 : 1- Voir la figure 4 du cours 2- Le crotale présente une polarité antéro-postérieur (marquée par la succession tête, tronc, queue) et une polarité dorso-ventral (marquée par la disposition colonne vertébrale, tube digestif par exemple). La symétrie bilatérale apparaît nettement dans le squelette. Il y a présence d'un crâne et d'une colonne vertébrale formée de vertèbres. Tous ces caractères sont communs à l'ensemble des vertébrés. 3- Une différence importante entre lézards et serpents est que les serpents, comme le crotale, n'ont pas de membres pairs. Étant de proches parents des lézards, les serpents sont des tétrapodes. Lézards et serpents ont donc un ancêtre commun pourvu de membres. On peut penser qu'au cours de l'évolution, une innovation évolutive consistant en la disparition des membres est intervenue dans la branche conduisant aux serpents. Le déplacement par reptation de ces animaux est associé à cette innovation évolutive. Exercice n°6 : 1- On observe sur le squelette de mésosaure une polarité antéro-postérieure (crâne vers l'avant), une polarité dorso-ventral (membres pairs en position ventrale, colonne vertébrale dorsale) et une symétrie bilatérale (membres pairs). Chaque squelette de membre comprend trois segments pourvus de doigts. 2- Le squelette a été trouvé dans des sédiments littoraux et marins donc les mésosaures devaient peupler ce type de milieu. La forme effilée, aérodynamique du crâne et du reste du corps, les membres postérieurs en forme de rame pouvant servir de nageoires, confirment l'hypothèse d'animaux aquatiques. 3- Les caractères du squelette de mésosaure rappelle celui des vertébrés tétrapodes. Les mésosaures sont des parents des vertébrés tétrapodes actuels. 8
