Quand les fossiles vont à la rencontre de la biologie

Quand les fossiles vont à la rencontre
de la biologie du développement:
l’exemple des premiers vertébrés
Philippe Janvier
CNRS-UMR 7207
Muséum National d’Histoire Naturelle
Paris
Etienne Geoffroy Saint-Hilaire (1772-1844) :
Embryons, monstres et fossiles
Louis Agassiz (1807-1873): L’« âge des poissons »
et le « triple parallélisme »
Agassiz 1844
Agassiz, Miller, Vogt: Le plus proche de
l’embryon, le plus proche de la « création »,
donc le plus « parfait»
Louis Agassiz (1807-1873)
Hugh Miller (1802-1856)
Carl Vogt (1817-1895)
Hugh Miller et les plus anciens poissons
(…connus vers 1840!)
Les poissons du Dévonien d’Ecosse (390 Ma)
Carl Vogt et la queue de la truite
Carl Vogt (1817-1895)
La caudale épicerque des
vertébrés à mâchoires
(Gnathostomes)
Tous les premiers gnathostomes
(par exemple au Dévonien, il y a
400 Millions d’années) avaient
une nageoire caudale épicerque, comme
l’embryon de truite et de tous les Téléostéens)
Les requins et les esturgeons conservent
cette morphologie.
La caudale hétérocerque (Téléostéens) ou
diphicerque (Coelacanthe, Dipneustes) est
apparue plus tardivement
Haeckel: ontogenie et phylogenie
Ernst Haeckel (1834-1919)
Que reste t-il du « triple parallélisme » ?
Hiérarchie et
systématique:
Caractère
généraux/particuliers
W. Hennig
Hiérarchie et temps
géologique: taxons
anciens/récents
A. Gaudry
Hiérarchie et
développement:
caractères
précoces/tardifs
K. E. von Baer
Les trois propriétés uniques des fossiles
1. FORME: les fossiles présentent des associations de
caractères qui n’existent plus dans la nature actuelle (ex:
Achaeopteryx, Acanthostega)
2. TEMPS: les fossiles fournissent un âge minimum des
caractères et donc des groupes qu’ils définissent (ex: plus
ancienne plume = âge minimal des oiseaux)
3. BIOGEOGRAPHIE: les fossiles documentent des
répartitions géographiques différentes des actuelles (ex: la
présence de marsupiaux en Europe à l’Eocène)
Les fossiles montrent des combinaisons de
caractères qui n’existent plus dans la nature
actuelle
Acanthostega gunnari, Dévonien (360Ma)
Les fossiles fournissent un âge minimum des
caractères et donc des groupes qu’ils définissent
Porophoraspis
Le plus vieux fragment d’os (475 Ma
Ordovicien, Australie)
1mm
Sacabambaspis, Ordovicien (470 Ma),
Sillons sensoriels> neuromastes
> Placodes neurogéniques
Tubercules de dentine> tissus odontogeniques
> Cellules de la crête neurale?
Young, J. Vert. Paleont. 1998
« Evo-Devo » ( Evolutionary Developmental Biology
ou Biologie évolutive du développement)
Expliquer la biodiversité nécessite l’intégration de la paléontologie
avec l’ evo-devo. Tandis que la paléontologie vise à répondre à la
question « Que s’est-il passé au cours de l’évolution? », l’ evodevo tente de répondre à la question « comment cela s’est-il
passé? ».
(Moczek et al. Evolution & Development, 2015)
La preuve développementale enrichit la paléontologie en
formulant et testant des hypothèses d’homologie, de définition des
caractères, d’interdépendance des caractères, et fournit aussi des
pistes quand aux phénomènes d’hétérochronie, la capacité
d’évolution des caractères, ainsi que des explications des vitesses
différentielles d’évolution.
(Thewissen et al. J. Vert. Paleont. 2012)
Gnathostomes
(Vertébrés à mâchoires
actuels)
62000 espèces
Morphologie& physiologie
Phylogénomique
Cyclostomes
(vertébrés sans mâchoires
actuels)
107 espèces
Myxine
Morphologie & physiologie
Phylogénomique
Lamproie
Myllokunmingiides. Cambrien (525-515 Ma)
Hou et al., 2002
Haikouichthys
1mm
Shu et al., 1999, 2003
Conway Morris & Caron, Nature 2014
Metaspriggina
Les « ostracodermes » (Silurien-Dévonien, 475-359 Ma)
vertébrés sans mâchoires, mais ossifiés
Woodward 1891
Gnathostomes souches sans mâchoires
(« ostracodermes »)
Ostéostracés
(Silurien-Dévonien, 430-370 Ma)
Adrain & Wilson, 1884)
Escuminaspis (Ostéostracé), Dévonien supérieur (370 Ma)
Nageoires paires, endosquelette cartilagineux et calcifié
Norselaspis glacialis, Ostéostracé, Dévonien inférieur (410 Ma), Spitzberg
Les « placodermes » ( Silurien-Dévonien, 430-360 Ma)
Arthrodires
Ptyctodontides
Antiarches
J.A. Long
Rise of fishes, 2010
Rhénanides
Placodermes
nageoires pectorales et pelviennes
Trinajstic et al., Biol. Rev. 20014
« Placodermes » (en bleu) paraphylétiques
Ostéostracés (‘ostracodermes’)
Acanthothoracides
Antiarches
Petalichthyides
Ptyctodontides
Arthrodires
Entelognathus
Chondrichthyens
Gnathostomes
apicaux (crown group)
Davis et al. 2012
Ostéichthyens
Gnathostomes actuels (apicaux)
Requins, raies,
chimères
(Chondrichthyens)
(Actinoptérygiens)
Coelacanthes
(Actinistiens)
Dipneustes
Tétrapodes
Gnathostomes actuels (apicaux)
Requins, raies,
chimères
(Chondrichthyens)
(Actinoptérygiens)
Coelacanthes
(Actinistiens)
Dipneustes
« poissons osseux
(Ostéichthyens)
Tétrapodes
Gnathostomes actuels (apicaux)
Requins, raies,
chimères
(Chondrichtyens)
(Actinoptérygiens)
Coelacanthes
(Actinistiens)
Dipneustes
Sarcoptérygiens
Tétrapodes
Les nageoires paires
monobasales
Latimeria (Coelacanthe)
Neoceratodus (Dipneuste)
Nageoires/membres monobasaux
de sarcoptérygiens fossiles
Dipnomorphes
Tétrapodomorphes
Schubin et al. Nature 2006
Les Elpistostagalia: ‘dernière étape’ avant l’apparition des doigts
Elpistostege (380 Ma)
Tiktaalik (375 Ma)
Eusthenpteron (380 Ma)
50 cm
Acanthostega gunnari, Famennien, Groenland, 362 Ma
Origine des doigts par extension temporelle
des expressions distales de Hoxd13
Freitas et al. PLoSONE 2007
La perte de genes de l’actinodine (and 1 et and2), donc des actinotriches, empêche
la formation des rayons dermiques des nageoires (lépidotriches) au cours de la
transition poissons-tétrapodes
Zhang et al. Nature, 2010
Rayons dermiques, doigts endochondraux et CRIPR/Cas9
Le développement des doigts aurait « kidnappé » certains des
processus développementaux impliqués dans le développement des
lépidotriches
T. Nakamura et al.
Nature 2016
Les premiers pas sur Terre…(il y a 390 Ma)
Niedzwiedzki et al. Nature 2010