Thème : Génétique et évolution
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Thème : Génétique et évolution Chapitre 1 : Brassage génétique, innovation génétique et évolution des génomes Introduction Les espèces qui utilisent la reproduction sexuée conservent leurs plan d’organisation au cour des générations mais se caractérisent aussi par leur très grandes diversité génétique et phénotypique Les deux mécanismes fondamentaux de la reproduction sexuée sont à l’origine de cette diversité : La méiose permet la formation des gamètes La fécondation permet la rencontre des gamètes Comment ces mécanismes contribuent-il à la diversité génétique des individus ? I. Méiose et production de gamètes haploïdes variés. 1) La méiose dans le cycle de développement d’un organisme diploïde. Activité 1 : Découvrir le rôle de la méiose dans le cycle de développement d’un organisme diploïde. Bilan cours a) Place de la méiose dans le cycle de développement des diploïdes. 1 Schéma : Le cycle de développement d’un organisme diploïde Schéma : Quantité d’ADN dans une lignée cellulaire pendant la 1 : cellule améiose 2N chromosome monochromatidiens 2 : synthèse d’ADN = duplication (phase S) 3 : cellule a 2N chromosome bichromatidiens (cellule diploïde) 4 : première division de méiose, passage a 2 cellules à N chromosomes bichromatidiens (cellules haploïde) 5 : seconde division de méiose, passage à 4 cellules a N chromosomes monochromatidiens (cellules haploïde) Un organisme diploïde possède des paires de chromosomes, ces cellules sont dites à 2N chromosome n étant le nombre de paire de chromosome. Dans le cycle de développement dans organisme diploïde, la méiose est une division qui permet la formation des cellules sexuelles ou gamètes males et femelles, qui sont haploïdes. La méiose permet de diviser par deux la quantité 2 d’ADN présente dans les gamètes (voir graphique ci-dessus.) ces gamètes ne possèdent plus de paire de chromosomes et sont donc des cellules à N chromosomes. La méiose permet donc d’obtenir l’haploïdie, c'est-à-dire permet le passage d’un état diploïde a un état haploïde. Chez les diploïdes la méiose précède obligatoirement la fécondation qui reforme de nouveaux organismes diploïdes. Ceci est indispensable pour le caryotype d’une espèce se maintienne au cours des générations. La méiose est obligatoirement précédée par une réplication semi-conservative de l’ADN, qui permet de doubler la quantité d’ADN et de passer de chromosomes à une chromatide à des chromosomes à deux chromatides. b) Les étapes de la méiose La méiose est composée de successions de deux divisions. La première division est une division réductionnelle car elle sépare toutes les paires de chromosomes, c’est donc elle qui permet de passer d’une cellule 2N à une cellule N Prophase : les chromosomes sont visibles et possèdent deux chromatides chacun. Les homologues (les chromosomes d’une même paire) s’apparient, ils forment des bivalents ou tétrades. Au cours de cette étape des échanges de portion de chromatides peuvent se produire entre deux homologues d’une même paire : se sont les « crossing-over ». Métaphase : les chromosomes homologues se placent de part et d’autre de la plaque équatoriale. Contrairement à la mitose ils ne se divisent pas au niveau du centromère. Anaphase : les chromosomes homologues se séparent et migrent aux pôles de la cellule. Télophase : deux cellules haploïdes à N chromosome se forment La seconde division est une division équationnelle qui équivaut à une mitose concernant les deux cellules à N chromosomes issues de la première division de méiose. Prophase : les chromosomes à deux chromatides sont bien individualisés Métaphase : tous les chromosomes se rangent à l’équateur de la cellule et ils se coupent au niveau du centromère. Anaphase : deux lots identiques de N chromosomes à une chromatide migrent aux pôles de la cellule. Télophase : Quatre cellules à N chromosomes s’individualisent. Le mécanisme du crossing-over entre deux chromosomes homologues en prophase I de méiose Début de Prophase I de méiose (Appariement chromosomes homologues) Crossing-over Fin de prophase I de méiose 3 (Formation de chromosomes recombinés) Conclusion : bilan de la méiose Exercice d’application page 30 ex 7 1) 4 : prophase I 2Q 2N 3 : métaphase I 2Q 2N 8 : anaphase I2Q 2N 5 : télophase I Q N 2 : Prophase II Q N 6 : Métaphase II Q N 7 : Anaphase II Q N 1 : Télophase II Q/2 N 2) Les brassages génétiques de la méiose et la production de gamètes haploïdes variés a) Le brassage intra-chromosomiques 4 Gènes : longueur des ailles (2 allèles) Gènes : couleurs du corps (2 allèles) Clair eb+ Longues vg+ Ebène eb P 1 Vestigiales vg 2 Génotype → e Phénotype → ______________________________________ Gamètes ↘ Gènes ↓ eb+ ; vg+ eb ; vg F1 Génotype→ eb+//eb ; vg+//vg Phénotypes de tous les F1 → 2ème croisement Parent Génotype F1 femelle eb+//eb ; vg+// vg x double récessif mal eb//eb ; vg//vg Phénotype Descendants : à compter ! 5 Les résultats obtenu montre 4 sortes de descendent, 2 de phénotypes parental en grande proportion et 2 de phénotypes recombiné en faible proportion. Ils sont issu du croisement test (ou test cross), donc leur proportion dépendent de la proportion des gamètes du parent hétérozygote. Les gènes sont donc situé sur la même paire de chromosomes et un brassage intra chromosomique à eu lieu par crossing-over, lors de la prophase 1 de méiose, lorsque les chromosomes homologues étaient appariés. Voir livre page 25 : schéma des gènes liés 6 Bilan : Le brassage intra chromosomique concerne des gènes porté par la même paire de chromosomes : se sont des gènes liés. Au cours de la première division de méiose, lorsque pendant la prophase les chromosomes homologues s’apparient et que leur chromatides s’enchevêtre, des chiasmas s’établissent, ce qui permet des crossing-over avec échange de matériel génétique entre les chromatides de chromosomes homologues. On obtient alors des chromosomes recombiné c'est-àdire présentant une nouvelle combinaison allélique originale. Schéma théorique 7 Une formule mathématique permet de prévoir le nombre potentiel de gamètes produit par ce brassage. Ce nombre dépend du nombre de gènes porté par une paire de chromosomes et du nombre de paire de chromosomes. Pour une seule paire de chromosome donné comportant x gènes le nombre de gamètes : 2x x est le nombre de gènes à l’état hétérozygotes Les crossing-over sont donc responsable du brassage intra chromosomiques, il contribuent a la diversité des gamètes en permettant la création de nouvelles combinaison alléliques. Ceci permet d’augmenter la diversité génétique des individus Remarques lors des croisements la proportion des gamètes avec des chromosomes recombinés est toujours très inférieure à la proportion des gamètes de types parentales. En effet les méioses avec crossing-over sont toujours plus rares que celles sans crossing-over. Se sont les croisements test ou test-cross qui révèlent un éventuel brassage intra chromosomique Définition : le test-cross consiste à croiser un individu de génotype inconnu (généralement un F1) avec un individu de phénotype récessif : sont génotype est alors parfaitement connu, il est obligatoirement homozygote récessif pour tout les gènes considéré. Dans le cas d’un brassage intra chromosomique affectant des gènes lié le croisement test le révélera en montrant des proportions inégales de phénotype pour les descendants : il y aura une majorité de phénotypes parentaux et une minorité de phénotypes recombiné b. Le brassage inter-chromosomique 8 Le brassage inter chromosomique concerne des gènes indépendant (des gènes non liés) porté par des paires différentes de chromosomes. Lors de la 1ère division de méiose, toutes les paires de chromosomes homologues se séparent de façon aléatoire, donnant naissance a des gamètes haploïdes génétiquement différents en quantité équiprobables. 9 Les résultats d’un croisement test révèlent donc un brassage inter chromosomique en montrant des proportions égales de phénotype pour les descendants Voir livre page 25 figure 3 10 Une formule mathématique permet d’estimer le nombre de gamètes différents possibles produit par ce type de brassage Nombre possible de gamètes différent = 2N pour N= nombre de paire de chromosomes Le brasage inter chromosomique qui au cours de la méiose se produit après le brassage intra chromosomique amplifie encore le mélange des allèles. Ceci accentue encore la diversité des gamètes produit et par conséquent la diversité des individus Pour estimer le nombre potentiel de gamètes différent produit par l’association des deux brassages on utilise la formule suivante : Nombre de gamètes = 2NX hétérozygotes liés II. pour N= nombre de paire de chromosomes X= nombre de gènes Fécondation et production d’organismes diploïdes variés 1) Place de la fécondation dans le cycle de développement d’un organisme diploïde Voir Schéma Le cycle de développement d’un organisme diploïde Dans le cycle d’un organisme diploïde, la fécondation survient peut après la méiose. Au cours de la fécondation, un gamète mal et un gamète femelle fusionne, cela forme un zygote ou cellule œuf diploïde. Les noyaux males et femelles fusionnent également : c’est la caryogamie voir page 21 doc 1b 11 2) Le brassage génétique de la fécondation amplifie la diversité génétique des individus Exercice doc 2 page 20-21 Questions 2,4,5,6 page 20 Question 3 AP AP AP AP AP AP Ap aP ap AP= 9/16= 56.25% Ap= 3/16=18.75% Ap AP Ap AP Ap aP= 3/16=18.75% aP AP AP aP aP ap AP Ap aP ap ap= 1/16=6.25% Question 4 9 cas différents Bilan : Lors de la fécondation, la rencontre au hasard de gamètes génétiquement différents donne à tous zygotes une combinaison originale d’allèles. Il existe une formule mathématique pour déterminer le nombre de zygotes possible obtenu par fécondation. Nombre zygotes : La fécondation amplifie donc les brassages alléliques de la méiose, elle est elle-même responsable d’une immense diversité génétique possible pour les zygotes. Chaque zygote contient donc une combinaison unique et nouvelle d’allèles. Seul une fraction d’entre eux est viable et se développe. III. Méiose, innovation génétique et évolution des génomes 1) Anomalie de disjonctions de chromosomes en méiose et modification des caryotypes. Exemple 1 : Trisomie 21 / syndrome de Down/ mongolisme Le caryotype montre 3 chromosomes 21 au lieu de 2. Une mauvaise disjonction des chromosomes homologues au cours de la méiose peut être responsable de cette anomalie. En 1ère division de méiose, une non-séparation des chromosomes homologues. 12 En 2ème division de méiose, migration des deux chromatides dans la même cellule Ainsi un mouvement anormal de chromosomes lors de la méiose peut produire une cellule qui possède un nombre inhabituel de chromosomes qui se retrouveront dans les zygotes. Exemple 2 : La polyploïdie Ce type d’anomalie de la méiose est aussi responsable de l’apparition d’espèces polyploïdes chez les végétaux et les animaux. Exemple voir page 36 document 1a : plan de Paspalum qui est tétraploïde avec 4N=40. Chez les espèces polyploïdes il n’y a pas eu de réduction chromosomique dans les gamètes. 2) Duplications / transpositions et mutation : sources d’innovation génétiques et d’évolution des espèces. Activité 4 : Découvrir comment des accidents au cours de la méiose contribuent à la formation d’une famille multigéniques (cas de gènes homéotiques) Homme Souris Xénope Drosophie Homme 0 5 21,1 19,4 Souris 5 0 21.1 20,0 Xénope 21,1 21,1 0 25,6 Drosophile 19,4 20 ,0 25,6 0 L’existence de gènes homologues, dont les séquences en nucléotides sont proches, chez des individus différents ou chez le même individu, montre que se sont des gènes apparentés. On suppose que ces gènes homologues dérivent d’un gène ancestrale unique qui se serai dupliquer et transposer (changement de locus sur le même chromosome ou sur un autre), pour former une famille multigénique. Cette duplication/transposition d’un gène est possible lors d’acident de la méiose voir page document 3c En effet au cours de la prophase 1 de méiose lors des crossing over les échanges de portions de chromatides entre des chromosomes homologues peuvent parfois être inégaux si les chromosomes se sont mal appariés. 1 des chromosomes recevra alors deux copies d’un gène, son homologue aura perdu ce gène. Ces duplication/transpositions peuvent se répété un certain nombre de fois au cours de l’évolution. Chaque copie du gène va alors évoluer de façon indépendante au grès des mutations. Ces mécanismes permettent donc l’acquisition de nouveaux gènes avec éventuellement de nouvelles fonctions. Cela contribue à la diversification des génomes et donc du vivant. Schéma CO inégal 13 Conclusion du chapitre La reproduction sexuée aboutie a une grande variabilité des individus, grâce aux brassages génétiques de la méiose et de la fécondation. Certains accidents lors de la méiose peuvent faire apparaitre des caryotypes anormaux, mais ils peuvent aussi contribuer à l’évolution des êtres vivants en favorisant la diversité des génomes avec la formation des familles multi-géniques. 14 Chapitre 2 : Mécanisme de diversification des êtres vivants et évolution de la biodiversité. Introduction L’association des mutations et du brassage génétique au cours de la méiose et de la fécondation ne suffi pas a expliqué la totalité de la diversification génétique des êtres vivants. En outre une diversification des êtres vivants n’est pas toujours lié à une diversification génétique. Questions Quels sont les autres mécanismes génétique ou non qui contribue a l’évolution des êtres vivants et de la biodiversité ? Comment cette biodiversité peut-elle évoluer au cours du temps et conduire a la formation de nouvelles espèces ? I. Mécanismes impliqués dans la diversifications des êtres vivants A) D’autres mécanismes impliqués dans la diversification du vivant 1) Association de génomes et diversification du vivant Activité 1 : Découvrir comment l’hybridation chez les végétaux conduit à l’évolution des génomes et à la diversification du vivant. 1) Spartina maritima 2n=60 sexué Spartina x townsendii n=61 asexué ; hybridation: croisement entre deux espèces différentes Spartina alterniflora 2n=62 sexué Spartina anglica 2n=122 sexué 2) Sur chaque espèce de spartina on retrouve des points communs Espèce initiale Spartina maritima 2n=60 Espèce importée Spartina 2n=62 Méiose Méiose Gamètes N=30 Gamètes N=31 Hybridation : Spartiva x townsendii N=61 Méiose impossible Doublement accidentel des chromosomes Spartina anglica 2n=122 Méiose possible 15 Bilan : La plupart des plantes et des animaux sont diploïdes cependant certaines espèces peuvent être polyploïdes c’est à dire possédé leurs chromosomes en plus de 2 exemplaires (voir doc 1 page 36) Plusieurs mécanismes peuvent expliquer cette polyploïdie : Un individu d’une espèce subit une anomalie lors de sa méiose ce qui peut conduire à un doublement du nombre de chromosomes dans les gamètes (cf chapitre 1 : non disjonction des paires de chromosomes homologues) l’autopolyploïdie. Deux individus appartenant a des espèces différentes peuvent s’hybrider (allo ploïdie). Le descendant hérite alors d’un lot chromosomique de chaque parent. Comme les chromosomes proviennent d’espèces différentes, ils ne sont pas homologues et leur appariement en méiose est donc impossible. Ceci explique la stérilité fréquente des hybrides. Si un événement accidentel de doublement des chromosomes suit une hybridation, chaque chromosome retrouve un homologue. La méiose redevient possible et la fertilité de l’espèce est rétablie. La polyploïdie joue un rôle très important dans l’évolution des plantes, elle est source de variabilité génétique ce qui contribue à la diversification des espèces végétales. De nombreuses espèces de plantes y compris des plantes cultivé sont des polyploïdes (exemple : blé, colza et tabac) 2) Transfert entre espèces et diversification du vivant Bilan : Des transferts horizontaux de gènes entre espèces très différentes existent et peuvent contribuer à la diversification des génomes et des êtres vivants. Ces transferts de gènes plus fréquemment réalisé par des virus ou bactéries peuvent apportés d’éventuels avantages aux organismes qui les reçoivent. Exemple : chez les primates c’est le transfert d’un gène viral (codant pour une protéine : la syncytine) qui a permis l’acquisition du placenta. Des études récentes on montrer que des rétrovirus on transféré horizontalement le gène codant de la syncytine à des mammifères probablement entre - 40 et -25 million d’années 3) Modification de l’expression des gènes et diversification du vivant Activité 2 : Expliquer l’absence de pattes chez les serpents. Connaissances : s’agissant des gènes impliqués dans le développement, des formes vivantes très différentes peuvent résulter de variations dans la chronologie de l’intensité d’expression de gènes communs plus que d’une différence génétique. Capacité : saisir et interpréter des informations, les mettre en relation logique dans un but explicatif. (Entrainement à la question de type IIB) Attitude : manifester sens de l’observation, curiosité, esprit critique. Comprendre la nature provisoire, en devenir, du savoir scientifique Bilan : L’homologie des gènes homéotiques révèlent qu’ils appartiennent à la même famille multi génique et qu’il on une origine commune. Ils ont été préservés au cours de l’évolution. Ainsi des gènes homéotiques très comparables peuvent êtres présents chez des animaux très différents pour programmer leur développement. Ce sont donc des variations dans la chronologie, l’intensité et la localisation d’expression de ces gènes qui varient d’une espèce à l’autre, plus qu’une modification génétique entre eux. Ces variations se traduisent par des modifications des organes formés à l’issue du développement embryonnaire. Ces modifications de l’expression des gènes homéotiques au cours de l’évolution ont ainsi pu mener à des innovations qui on été retenues ou non, permettant d’assurer la diversité du vivant. 16 B) Mécanisme de diversification du vivant sans modification des génomes. 1) Association de type symbiose et diversification du vivant. Question document 6 page Sur la photographie on voit deux éléments des filaments (mycéliums) en beige (champignon) et des sphères (cyanobactéries) vertes (algues) des études génétiques montrent que deux génomes différents se trouvent dans le lichen : le premier appartient a une algue et le second à un champignon.les algues peuvent fixer le CO2 et donc procédé à la photosynthèse (autotrophe : se nourri seul) et le champignon n’a pas cette capacité de fixer le CO2 (il est hétérotrophe). Les algues vont transformer le CO2 en matière organique et les champignons vont alors se nourrir de cette matière organique. De ce fait on constate du carbone 14 dans les champignons. 30 à 35% de la matière organique de l’algue est absorbé par le champignon. En échange, les champignons vont protéger les algues et donner des sels minéraux (prélevé de la roche qu’ils dissout à l’aide d’acides) aux algues. Bilan : les individus appartenant à des espèces différentes peuvent vivre en association étroite et durable une telle association profitable pour les deux partenaires est qualifié de symbiose. La symbiose peut aboutir à l’acquisition de nouvelles fonctions ex : assimilation de l’azote atmosphérique par les plantes vivant en symbioses avec certaines bactéries (voir livre doc 1 page 40). La symbiose peut aussi assurer la survie préférentielle d’organismes dans un milieu donné c’est donc une association qui contribue à la diversité du vivant. 2) Diversification du comportement et du vivant. Questions 1 et 2 page 42-43 Bilan : chez les vertébrés notamment les oiseaux (acquisition du chant) et les mammifères (utilisation d’outils) le développement de comportement nouveau peut se produire sans modification du génotype et être transmis d’une génération a une autre par apprentissage et imitation. Cela concerne surtout les jeunes d’une population qui imitent les plus âgés. Cela est aussi source de diversité des êtres vivants II. De la diversification des êtres vivants à l’évolution de la biodiversité. A) Evolution de la diversité des populations au cours du temps. Exercice 1 page 58 Pendant la sécheresse de 1977, le nombre de graines a baissé car les arbres et arbustes source de ces graines on maqué d’eau pour les créé et leur dureté provient aussi du manque d’eau Lorsque l’abondance des graines augmente et leurs dureté diminue, on observe une hausse du nombre de pinçons et leur hauteur de bec est normale et stable alors que lorsque la quantité de graines diminue et que leur dureté augmente, on observe une diminution du nombre de pinson et la hauteur de leur bec augmente 17 L’évolution des populations dépend de l’hérédité et du milieu de vie. En effet, l’évolution s’adapte au changement du milieu (sélection naturelle) Bilan : on défini une population comme un ensemble d’individu de la même espèce, qui vivant à proximité des un des autres se reproduisent majoritairement entre eux. On observe à l’intérieur d’une population une variabilité génétique en effet les individus ne possèdent pas les même combinaisons d’allèles pour leurs gènes. Une population est considérée comme une étape de l’évolution. En effet divers mécanismes sont à l’origine de l’évolution des populations : Action de l’environnement : il induit une sélection naturelle, les conditions du milieu et la concurrence entre les individus exerce une pression sur les populations qui favorise la survie des êtres les plus adapté à ces conditions. Par conséquent, ils se reproduisent d’avantages et assurent mieux la transmission de leurs allèles. L’effet du hasard : il intervient de façons multiples : o Le hasard des mutations : il provoque une diversification génétique des individus dans une population. De nouveaux allèles à l’origine de nouveaux caractères apparaissent o Le hasard lors de la reproduction : il peut provoquer une dérive génétique à partir des allèles transmis lors de la reproduction sexuée. L’évolution est donc la transformation des populations qui résulte de ses différences de survies et du nombre de descendant. B) Evolution de la biodiversité et apparition de nouvelles espèces Activité 4 : expliquer l’apparition d’une nouvelle espèce de moustiques 1) Espèces : ensemble des individus qui se distinguent des autres par des caractères communs et ont une descendance fertile. Bilan : a) Définir la notion d’espèce La définition de l’espèce est délicate et peut reposer sur des critères variés qui permettent d’apprécier le caractère plus ou moins distinct de deux populations. On peut définir l’appartenance d’individus à la même espèce en se basant sur différents critères : Critère de ressemblance : deux individus appartiennent à la même espèce s’ils se ressemblent Critère d’interfécondité : deux individus appartiennent à la même espèce s’ils peuvent se reproduire entre eux et avoir une descendance fertile. A partir du critère d’interfécondité, Ernest Mayr à proposer une définition biologique de l’espèce : selon lui une espèce est une population ou un ensemble de populations don les individus peuvent effectivement ou potentiellement se reproduire entre eux et engendré une descendance viable et féconde. Le concept d’espèce est modifié au cours de l’histoire de la biologie : 18 Conception pré-évolutionniste : l’espèce est une entité permanente et stable elle est défini par rapport à un individu type. Tout les individus qui lui ressemble et qui sont interfécond avec lui appartiennent à la même espèce. Toute variation par rapport à l’individu type est considérée comme une anomalie. Conception évolutionniste (XIXème siècle ): on admet la variabilité des individus au sein de l’espèce, l’idée d’une filiation entre les espèce s’impose. Actuellement : une espèce peut être considéré comme une population d’individu suffisamment isolé génétiquement des autres populations pour qu’un isolement reproducteur ai pu apparaitre. b) La spéciation et l’évolution des espèces La diversité du vivant ou biodiversité est en partie décrite comme une diversité d’espèces qui sont susceptibles d’évolué au cours du temps. Au sein d’une même espèce, deux population isolé par une barrière géographique ou comportementale on des échanges génétiques lié à la reproduction sexué réduit et accumulent des différences génétiques importantes. Au delà d’un certain seuil, ces différences peuvent empêcher les individus des deux populations de se reproduire, il y a alors isolement reproducteur. Quand l’isolement reproducteur entre deux populations est associé à un isolement génétique, il n’y a plus d’échanges d’allèles entres elles. Chaque population est alors considéré comme une nouvelle espèce qui continuera à évolué séparément sous l’effet du hasard et de la sélection naturelle. Ce processus conduisant à la formation de nouvelles espèces est appelé spéciation. Une population identifiée comme constituant d’une espèce n’est défini que durant une période limité. On dit qu’une espèce disparait si l’ensemble des individus concerné disparait ou cesse d’être isolé génétiquement. Conclusion du chapitre La biodiversité telle qu’on l’observe à une période donné est à la foi le résultat et une étape de l’évolution. En effet il existe de divers mécanismes qui engendrent une modification de la diversité génétique des populations au cours du temps 19 Chapitre 3 : un regard sur l’évolution de l’homme Introduction : Notre espèce « homo sapiens » a une histoire évolutive comme toutes les autres espèces. les similitudes avec les autres primates comme les grands singe suggère une parenté commune. Quelles sont les grandes étapes de cette évolution qui ont conduit à l’émergence de notre ligné humaine et plus particulièrement du genre homo. I. parenté de l’homme et des grands singes 1) Comparaison des caryotypes et des génomes entre l’homme et chimpanzé Doc 1 page 76 Bilan : Le caryotype de l’homme possède 22 paires d’autosome plus une paire de gonosomes. On observe qu’au niveau de caryotype du chimpanzé il y a 23 paires d’autosomes et 1 paire de gonosomes. Le chimpanzé possède donc 1 paire de chromosome supplémentaire les comparaison précises des 2 caryotypes révèlent que 13 paires de chromosomes sont vigoureusement identiques chez les 2 espèces les autres paires se distinguent par quelques réarrangement chromosomiques et en conduit à la délétion ou à l’addition de gènes. La différence du nb de chromosomes entre les 2 espèces est expliquée par la fusion de deux chromosomes du chimpanzé pour formé le chromosome 2 humain. La grande similitude des 2 caryotypes indique la parenté et l’origine commune entre l’homme et le chimpanzé Comparaison de génotype : (voir doc 2 page 77) l’homme et le chimpanzé présentent une très grande proximité génétique. Depuis 2005 on sais qu’il y a 98,77% de similitudes génétiques entre homme et chimpanzé ce qui confirme une proche parenté. 2) Développement et acquisition du phénotype humain sous le contrôle génétique et de l’environnement La grande proximité génétique entre l’homme et les grands singes pose le problème de la différence phénotypique évidente Questions 1, 2, 3 pages 78-79 Bilan : Lorsque l’on compare les phases du développement pré et post natale chez l’homme et le chimpanzé on observe que toutes les phases du développement sont allongé chez l’homme notamment la période prénatale importante ou il y a multiplication des neurones (2 semaines chez le chimpanzé contre 8 semaine chez l’homme) la naissance plus tôt chez le chimpanzé 8 mois au lieu de 9. Apres la naissance le trou occipital qui permet de relier la colonne vertébrale au crane migre d’une position centrale vers l’arrière chez le chimpanzé. Cela conditionnera donc son mode de locomotion (quadrupède chez le chimpanzé et bipède pour l’homme). On peut également observer que la maturité sexuelle survient également plus tôt chez le chimpanzé 8 ans au lieu de 16 ans ainsi chez l’homme les phases de développement semble tes ralenti par rapport à celle du singe, ce qui permet le maintien de la bipédie (trou occipital central) et une morphologie crânienne proche de celle du 20 fœtus si ce n’est la taille. Chez le singe adulte, le crane a subit des modifications importantes avec un développement accéléré qui n’a pas permit une croissance importante du crane (capacité crânienne 450cm3) Questions 4, 5 pages 76-77 Bilan : Lorsque l’on compare les gènes de développement impliqué dans le développement cérébral chez le chimpanzé et l’homme on observe une homologie de ces gènes de développement. Néanmoins il présente des mutations qui permettent d’expliquer les différences de développement. Ce sont donc ces différences dans les gènes de développement et dans leurs expressions qui conduisent a l’acquisition d’un phénotype différent chez les deux espèces. En effet les gènes du développement conditionnent l’ordre d’acquisition des caractères mais aussi la durée et le rythme de croissance. Les conditions environnementales ont également une influence sur le développement (nutrition, apprentissage, communication). II. L’homme un primate parmi d’autres 1) Caractéristiques et diversité des primates actuel et fossiles Activité 1 : Déterminer la parenté de l’homme avec d’autres primates Bilan : Les primates actuels et fossiles présentes une très grande diversité (voir doc 2 page 81). Néanmoins ils partagent des caractères homologues à l’état dérivé, qui leurs sont propres et qui traduisent leur parenté et leur origines communes : pouce opposables aux autres doigts présence d’ongles au lieu de griffes vision binoculaire bien développé cortex cérébrale relativement bien développé Les premiers primates fossiles datent de -65 a -50 millions d’années. Très diversifier, ils n’étaient ni identique à l’homme actuel ni aux autres grands singes actuels. Les premier grands primates fossiles dont nous faisons parti sont apparu il y a 20 millions d’années ils se distinguent par leur taille importante, un nez dont les narines sont séparé par une fine cloison et par leur absence de queue. La diversité des grands primates connus par les fossiles fut très grande (40 genres différents environ il y a 30 millions d’années) aujourd’hui cette diversité très réduite on ne distingue plus que quelques genres différents (orant outan, gorilles, homo, chimpanzé,..). Aujourd’hui les grands primates à l’exception de l’homme vivent dans les forêts tropicales (chaude et humide) d’Afrique et d’Asie ce qui explique la rareté de découverte de formes fossiles. 2) Caractéristiques de l’ancêtre commun de l’homme et du chimpanzé Voir doc 3 page 81 Bilan : Parmi les grands singes (hominoïdes) c’est l’homme et le chimpanzé qui présente la plus grande parenté et qui partage un ancêtre commun le plus récent. La date de divergence entre les deux ligné est actuellement situé à -7 millions d’années. On a pu établir cette date grâce aux données génétiques mais aussi grâce à la découverte fossile de Toumaï daté à priori de -7 millions d’années et 21 qui ^présenterais déjà les caractères dérivé propre à la ligné humaine (bipédie envisagé). Cela di aucun fossile ne peut être à coup sur considéré comme un ancêtre de l’homme et du chimpanzé. III. Emergence et évolution du genre Homo 1) Les caractères propres au genre Homo TP phylogène Exercice : http://evolution.biologique.free.fr/histoire/homme/comparai.htm Utiliser les donné du site internet pour construire un tableau de comparaison des caractères anatomique de l’homme et du chimpanzé En déduire les critères dérivés propres a l’homme Bilan : L’homme actuel se distingue d’un grand singe comme le chimpanzé par un certain nombre de caractères. Des caractères crâniens tel-que sont volume cérébral. Sont volume cérébral important 1550cc contre 450cc pour le chimpanzé, sa face aplatie au lieu d’être prognathe, son trou occipital centré au lieu d’être arrière. La posture droite de l’homme autorise sa bipédie alors que le chimpanzé à une posture recourbé engendrant une locomotion principalement quadrupède. De plus il a une capacité de langage, il réalise une utilisation intensive d’outils contrairement aux grands singes. Toutes ces différences justifient que l’homme appartienne à un genre différent de celui des grands singes : le genre Homo. Le genre homo regroupe : l’homme (homo sapiens) et plusieurs espèces fossiles, plus proches parents de l’homme actuel que des chimpanzés. On distingue notamment : Homo habilis daté de -2,5 à -2,8 millions d’années Homo ergaster daté de -2,8 millions d’années à -150 mille ans Homo néanderthalensis daté de -200 milles ans à -30 mille ans Homo sapiens daté de -195 milles ans à nos jours. Les premiers représentants du genre homo on été retrouvé en Afrique, à partir de -1 ,8 millions d’années le genre homo connait une forte extension en Europe et en Asie. Ces diverses espèces possèdent des caractères dérivé qui leur sont propres et qui se sont mis en place progressivement : Un dimorphisme sexuel peut marquer entre les squelettes masculins et féminins Une face réduite : le prognathisme à progressivement régressé. Une mandibule parabolique Un volume cérébrale supérieur ou égal à 600cc (atteint avec homo habilis) Une bipédie permanente et stricte permettant une aptitude à la couse à pied. Ceci exigent les caractères anatomique suivant : o Un trou occipital en position centrale 22 o Colonne relativement droite o Bassin cour et évasé o Membre inférieur plus long que les membres supérieurs o Développement d’une voute plantaire o Fémur en position évasé Production d’outils complexe (ce caractère n’étant toute fois non exclusive au genre Homo) Des pratiques cultuelles ( sculptures et peinture) 2) L’évolution du genre Homo : une évolution contrastée. Bilan : Les diverses espèce du genre homo connu actuellement (plus de 10 espèces en 2012) présentent des caractères dérivé commun qui traduisent leurs parenté étroite. Néanmoins cette diversité d’espèce rend très difficile la reconstitution des parentés entre elles d’autant plus que certaines espèces ont coexisté. Les découvertes paléontologiques souvent incomplètes (doc 3 page 81) ne facilitent pas la tache. L’évolution de l’homme est qualifié de buissonnante (schéma bilan page 87). Conclusion du chapitre : L’homme actuel est issu d’une évolution qui débute il y a -65 million d’années avec l’apparition des premier primates. Les caractères dérivés qu’il partage avec tous les primates traduisent leur grande parenté. Cependant c’est avec le chimpanzé qu’il partage la parenté la plus étroite. A partir de -7 million d’années les deux ligné ont divergé des différences dans le développement, sous l’action des gènes et de l’environnement ont permis l’émergence de la ligné humaine puis celle du genre Homo dont nous sommes issus. 23 Chapitre 4 : les relations entre organisation et mode de vie, résultat de l’évolution : exemple de la vie fixé chez les plantes. Introduction : Les végétaux chlorophylliens peuplent tous les écosystèmes et comprennent en particulier des plantes à fleurs, les arbres, les arbustes et des plantes herbacées. Ils sont fixés dans le sol où ils puisent des matières minérales et produisent, grâce à la photosynthèse, de la matière organique à partir de cette matière minérale et du CO2 prélevé dans l’atmosphère. Chez les végétaux, la reproduction sexuée se fait comme chez les animaux par fécondation entre un gamète mal et un gamète femelle aboutissant à une cellule œuf qui formera un nouvel individu. Chez les plantes à fleurs cette phase demande une pollinisation qui formera des graines permettant la colonisation du milieu. En quoi l’organisation des plantes à fleurs est elle adapté à leur vie fixé à l’interface entre le sol et l’atmosphère ? Comment la reproduction des plantes à fleurs est elle organisé en fonction de cette vie fixé ? I. Organisation des plantes a fleur et vie fixée 1) Morphologie générale d’une plante a fleur Bilan : Les plantes à fleurs présentent une grande diversité de forme de taille et de milieu de vie : les plantes dites ligneuse (arbre et arbuste) se distinguent de plantes herbacée par la présence dans certaines cellules de leurs tiges de lignine qui les rend rigides. Cependant leur appareil végétatif est organisé de la même façon, il est composé de racines, de tiges et de feuilles dont l’organisation permet des échanges avec leur milieu et la circulation de matière entre les différents organes. 24 2) Echanges entre la plante et son environnement Les plantes à fleur on développé des systèmes d’échanges avec l’atmosphère et le sol. Ces dispositifs présentent une surface importante et une organisation fonctionnelle particulière a) Les racines et le sol L’extrémité des racines est recouverte de poils absorbant qui sont des cellules allongée plongeant dans le sol où elles prélèvent l’eau et les sels minéraux indispensable à la photosynthèse. La densité et la longueur des poils absorbants ainsi que la ramification des racines peuvent augmenter en cas de carence minérale dans le sol (voir livre page 98 figure 1) b) Les feuilles et l’atmosphère (Voir page 98 doc 3) le limbe des feuilles possède surtout sur sa face inferieur des stomates qui permettent l’entrée du CO2 atmosphérique nécessaire à la photosynthèse. Ils s’ouvrent sur un tissu végétal lacuneux qui permet une bonne circulation des gaz dans la feuille. La photosynthèse se réalise dans toutes les cellules chlorophylliennes, très denses dans la partie supérieure du limbe 25 fortement éclairée. Le nombre et l’orientation des feuilles permettent d’optimisé la réception de l’énergie lumineuse (voir page 99 doc 3) Le nombre de stomate ainsi que leur ouverture peuvent varier selon les conditions de l’environnement. Remarque : l’indice stomatique, c'est-à-dire le nombre de stomate sur le nombre de cellules peut être utilisé chez des feuilles fossilisées pour étudier les variations de la teneur de l’atmosphère en CO2 au cours des temps géologique 3) Circulation de matière dans la plante Bilan cour : Les substances prélevées dans les milieux extérieurs ou issus de la photosynthèse permettent d’assuré l’alimentation de la plante. Elles sont distribuées dans l’ensemble de la plante sous deux formes : Sève brut (ascendante) qui est une solution diluée d’eau et de sels minéraux absorbé dans le sol, et qui circulent dans les vaisseaux du xylème Sève élaboré (descendante) qui contient les molécules organiques fabriqué dans les feuilles par la photosynthèse et qui circulent dans les vaisseaux du phloème ou tubes criblés (Voir documents page 100-101) les vaisseaux du xylème et du phloème forment deux réseau continu dans toute la plante entre les racines et les feuilles dans les quels on retrouve les deux type de vaisseaux. L’organisation des feuilles permet d’optimiser la circulation des gaz autour des cellules chlorophyllienne grâce au parenchyme lacuneux qui communique avec l’atmosphère par les 26 stomates. Le parenchyme palissadique localisé sur la face supérieur assure un bon éclairement des cellules 4) La protection des plantes à fleurs Type de plante Type d’agression Mécanisme de défense Anatomique morphologique Lavande Acacia Marronnier biologique Chimique mécanique Acacia Vesce des champs L’oyat Acacia haricot Herbivores Conditions climatiques Insectes Allongement des épines des acacias Herbivore Insectes acariens Peuplier Pavot Acacia Menthe Herbivore Insecte Bactéries Champignon Acacia : Sécrétion de tanin et l’éthylène sert pour provoquer la sécrétion de tanin chez les autres espèces de type acacia Nombreux poils sur les feuilles qui rendent le limbe inaccessible pour les prédateurs Passage de la mauvaise saison grâce aux bourgeons Symbiose entre acacia et fourmis Les fourmis défendent la plante des agressions avec des piqures douloureuses sur les agresseurs Sécrétion de morphine Sécrétion de menthol Herbivore Conditions climatiques Oyat : Ouverture et fermeture de la plante pour un stockage d’eau au fond d’une crypte très hydrophile et déformable Acacia allongement des épines Haricot : passage de mauvaises saisons sous forme de graine Bilan cour : En relation avec leur vie fixé les plantes on développé des mécanismes de défense contre les agressions du milieu. La lutte contre les organismes prédateurs ou pathogènes se fait par des défenses morpho-anatomique, chimiques et biologiques. Ces défenses peuvent être constitutives (présente naturellement dans la plante), ou induite (défenses intensifier en cas d’attaque par un animal prédateur). Certaines plantes développent aussi des mécanismes de défense indirects en attirant les prédateurs des herbivores. Les plantes font face aux variations des conditions du milieu en synchronisant leur activité biologique avec les saisons. Ainsi en automne les arbres entrent en vie ralentie, leur métabolisme et les échanges avec les milieux sont réduits. Des organes spatialisés assurent le passage de la mauvaise saison comme par exemple les bougeons qui passent l’hiver protégé par des écailles Recopier schéma de la page 109 circulations de la matière dans la plante. 27 II. Reproduction des plantes à fleurs et vie fixée 1) L’organisation des fleurs Activité 4 : fleur de Lisianthus Bilan cour : Les fleurs présentent une organisation commune en verticilles concentriques : Le verticille 1 ou calice est constitué par les sépales Le verticille 2 ou corole est constitué par les pétales Le ou les verticilles 3 sont constitués par les étamines Le verticille 4 est constitué par le pistil Certaines pièces florales sont directement impliquer dans la reproduction : le pistil est l’organe femelle contenant les ovules, les étamines sont les organes males dont les anthères contiennent les grains de pollens. La mise en place des pièces florales se réalise sons l’action de gènes du développement, la mutation de l’un de ces gènes entrainant la formation d’une fleur anormale (voir page 103 doc C et D) 2) De la fleur au fruit : la pollinisation Bilan : La majorité des fleurs produisent à la foi des gamètes males et des gamètes femelles. La pollinisation peut avoir lieu à l’intérieur de la même fleur (autopollinisation) ou entre fleur différentes (pollinisation croisée). Dans ce dernier cas les grains de pollens produit par une fleur se dépose sur le stigmate du pistil d’une autre fleur de la même espèce. Les fleurs pollinisées par les insectes émettent différents signaux qui attirent les pollinisateurs. Leurs grains de pollen sont assez gros et ornementé, ce qui facilite leur adhésion au corps des insectes qui visitent les fleurs. Ils y trouvent de la nourriture sous forme de pollen et de nectar. Le pollen prélevé sur une fleur peut alors être déposé sur une autre fleur visitée. On peut observée une coévolution entre l’organisation de ses plantes et les organes des insectes permettant de repéré les fleurs et de s’y nourrir (ex page 104-105 doc 2) ceci procure un avantage sélectif pour la plante qui se reproduit plus efficacement, et pour l’insecte qui y trouve des ressources alimentaires. Ce phénomène est particulièrement remarquable pour les plantes pollinisées par un insecte précis comme le couple orchidée/sphinx Les fleurs pollinisées par le vent sont généralement de petites tailles et produisent en grande quantité du pollen dont les grains sont petits et lisses. Leurs étamines et leur pistils sont bien exposé au vent (exemple les graminées ou poacées) La pollinisation croisée favorise le brassage génétique au sein de l’espèce (voir thème 1A) Une fois les grains de pollens posé sur le stigmate, un afflux d’eau leur permet de germée : chaque grain développe un tube pollinique qui grandi dans le style jusqu’au ovules. Le gamète mal contenu 28 dans le tube féconde alors le gamète femelle contenu dans un ovule (voir page 106-107). Apres la fécondation l’ovaire devient un fruit chaque ovule fécondé devient une graine. 3) La dispersion des graines Bilan : Celle-ci permet la pérennité de l’espèce et la colonisation par la plante de nouveaux territoires. Elle peut être assuré par le vent ou par les animaux (voir page 107 doc 3). Les graines dispersé par le vent sont petites et légères et peuvent posséder des dispositifs qui améliorent leurs portance (exemple pissenlit). Les graines dispersées par les animaux sont généralement dans des fruits charnus, coloré et sucré, attractif pour les animaux. Ceux-ci les mangent et regrettent les graines par exemples dans leurs excréments : c’est une dispersion active. D’autres graines sont dans des fruits qui adhèrent au pelage : c’est une dispersion passive. Le premier cas montre encore une collaboration entre la plante qui est dispersé et l’animal qui se nourri. On observe aussi dans certains cas que les graines germent mieux après passage dans le tube digestif d’un animal et/ou lorsqu’elles germent loin de leur plante mère. Cette collaboration est aussi le résultat d’une coévolution. Conclusion générale Conclusion du chapitre : Au cours de leur évolution, les plantes ont mis au point de nombreux dispositifs leur permettant de réalisé les diverses fonction des êtres vivants tout en menant une vie fixé. Elles ont parfois utilisé l’aide des animaux avec lesquels elles ont établis des relations à bénéfices réciproques grâce à une longue coévolution. Voir bilan du livre page 111. 29
