Biologie pour psychologues

Biologie
pour
psychologues
Édition : Marie-Laure Davezac-Duhem
Fabrication : Marie Léman
Composition et mise en pages : Nord Compo
Impression : Imprimerie Moderne de l’Est
Documentation iconographique : Daniel Boujard
Conception couverture : Pierre-André Gualino
Relecture et correction : Isabelle Chave
Nos équipes ont vérifié le contenu des sites internet mentionnés dans cet ouvrage
au moment de sa réalisation et ne pourront pas être tenues pour responsables
des changements de contenu intervenant après la parution du livre.
© Dunod, 2014
5 rue Laromiguière, 75005 Paris
www.dunod.com
ISBN 978-2-10-071036-2
Biologie
pour
psychologues
Daniel Boujard
Préface de Jean Joly
2e édition revue et corrigée
TABLE DES MATIÈRES
Préface
Avant-propos
1 – INTRODUCTION À LA BIOLOGIE
I. La biologie, une discipline scientifique
3
3
4
II. La théorie de l’évolution
5
5
5
1. Les grands domaines de la biologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. La démarche scientifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1. L’origine des espèces ou la naissance de la théorie de l’évolution . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. Une théorie en perpétuelle évolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
III. Une brève histoire de la vie sur terre
9
1. L’origine des premiers êtres vivants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2. L’enseignement de la paléontologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3. L’arrivée de l’homme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 – LES CONSTITUANTS MOLÉCULAIRES DE LA CELLULE
I. Des atomes aux molécules
25
1. Qu’est-ce qu’un atome ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2. Les liaisons chimiques permettent de former des molécules constituées
de plusieurs atomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
II. Les molécules organiques
1.
2.
3.
4.
Les glucides, une source d’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Les lipides, de nombreux rôles dans la cellule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Les protéines, des molécules aux multiples fonctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Les acides nucléiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
31
33
36
40
Table des matières
V
3 – ORGANISATION GÉNÉRALE DES CELLULES
I. La cellule procaryote
51
1. Une multitude de cellules procaryotes dont certaines sont pathogènes. . . . . . . . . . . . 51
2. Des caractères communs à toutes les bactéries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3. Pouvoir pathogène et antibiotiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
II. la cellule animale
55
1. La membrane plasmique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2. Le noyau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3. Un vaste réseau de membrane intracellulaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
III. Aux frontières du vivant : les virus
74
1. Les grandes étapes du cycle viral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2. Traitement des pathologies virales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4 – FONCTIONNEMENT DE LA CELLULE EUCARYOTE
I. De l’ADN aux protéines
87
1. Organisation du génome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2. De l’ADN à l’ARN : la transcription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3. De l’ARN à la protéine : la traduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
II. La cellule se divise
103
1. Le cycle de division cellulaire est régulé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2. La duplication de l’ADN : une réplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
III. Notion d’énergétique cellulaire
110
1. Le glucose, principal carburant de nos cellules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
2. La respiration cellulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5 – DE L’ŒUF À L’ADULTE
I. Prolifération, différenciation et apoptose :
un triptyque indissociable
122
1. Les mécanismes de la différenciation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
2. L’apoptose indispensable au développement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
II. Les grandes étapes du développement
1.
2.
3.
4.
De l’œuf au trophoblaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Les cellules souches embryonnaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
La gastrulation, étape clef du développement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
La formation des organes ou organogenèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
125
125
126
127
128
III. Le développement du système nerveux
130
1. Les grandes étapes de la construction du système nerveux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
2. Les mécanismes de la neurogenèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
IV. Renouvellement des tissus
137
1. Les différents tissus de l’organisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
2. Le renouvellement des tissus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
VI
Biologie pour psychologues
6 – D’UNE GÉNÉRATION À L’AUTRE
I. La reproduction sexuée
155
156
158
165
166
II. L’hérédité
169
169
169
171
175
1.
2.
3.
4.
1.
2.
3.
4.
Détermination du sexe : SRY et la différenciation sexuelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
La formation des gamètes ou gamétogenèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
La fécondation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
La procréation médicalement assistée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mendel, Morgan et les fondements de la génétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Génotype et phénotype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Notion de génétique formelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
La transmission des maladies génétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 – LES CELLULES EN SOCIÉTÉ
I. Communication cellulaire et maintien de l’homéostasie
184
II. La communication par contact direct
186
186
187
187
188
1.
2.
3.
4.
Les jonctions serrées ou jonctions étanches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Les jonctions communicantes et la synchronisation du fonctionnement cellulaire . .
Les molécules d’adhérence : ancrage et contrôle du fonctionnement cellulaire . . . . .
Facteurs de croissance, prolifération et différenciation cellulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . .
III. La communication à distance par le système encocrinien
189
1. Des cellules secrétrices d’hormones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
2. Des cellules cibles à récepteurs spécifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
3. Un exemple : la régulation de la glycémie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
IV. La communication à distance par le système nerveux
1.
2.
3.
4.
5.
Les cellules du système nerveux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Le neurone, une cellule aux propriétés électriques remarquables . . . . . . . . . . . . . . . . . .
La synapse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Les neurotransmetteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Synapses et substances psychotropes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
193
193
197
201
205
208
8 – APERÇU SUR LE SYSTÈME NERVEUX
I. Organisation générale du système nerveux
217
1. Le système nerveux périphérique, lien entre le SNC et le reste du corps . . . . . . . . . . . 217
2. Structure du système nerveux central . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
II. Voir le cerveau fonctionner
1.
2.
3.
4.
L’imagerie structurale : IRM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Électroencéphalographie et magnétoencéphalographie : EEG, MEG. . . . . . . . . . . . . . . . .
La tomographie par émission de positons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
L’IRM fonctionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
223
224
225
226
226
III. Système nerveux et mouvement
227
1. Les arcs réflexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
2. La contraction musculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
3. Prévoir et réaliser un mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
Table des matières
VII
IV. Système nerveux, éveil et sommeil
231
1. Centre de l’éveil et du sommeil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
2. Lire le jour et la nuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
V. Système nerveux et système endocrinien
236
1. L’hypothalamus et le maintien de l’homéostasie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
2. L’axe hypothalamo-hypophysaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
3. Système nerveux et stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
VI. Plaisir et douleur
240
1. Les centres nerveux du plaisir. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
2. Les voies de la douleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Corrigés
Crédits photographiques
VIII
Biologie pour psychologues
Préface
E
n 1993, à la demande conjointe des Éditions Dunod et d’Alain Lieury, nous avions,
Daniel Boujard et moi, rédigé un ouvrage destiné à donner aux étudiants en psychologie des notions de biologie utiles à leur formation de base. Malgré l’aspect
quelque peu rudimentaire des illustrations, ce manuel avait rencontré son public, puisqu’au
fil des années, trois éditions ont été publiées moyennant de modestes ajustements du contenu
et de la présentation.
Le temps est aujourd’hui venu de donner naissance à un nouvel ouvrage qui tienne compte,
avec le recul nécessaire, des progrès récents de la discipline, mais aussi qui mette à profit
l’évolution des techniques éditoriales associant une mise en page moderne, une typographie
mieux adaptée et des illustrations photographiques de haute qualité, ainsi que des renvois à
la documentation informatique.
C’est le professeur Daniel Boujard qui a bien voulu mettre son talent de pédagogue et ses
compétences de chercheur au service de cette tâche en proposant aux lecteurs du XXIe siècle
une extraordinaire initiation à la biologie moderne.
Dans une brève introduction, l’auteur définit le domaine couvert par la biologie et situe
l’être humain dans son contexte spatio-temporel en résumant brillamment les grandes lignes
de l’évolution des espèces et des théories qui visent à en expliquer les mécanismes.
Les notions indispensables de chimie font l’objet d’un chapitre qui permet, même aux
« non-initiés », de se familiariser avec le vocabulaire indispensable à qui veut aborder la structure fine et le fonctionnement de la cellule, et en particulier les mécanismes moléculaires de
sa reproduction. Les chapitres suivants expliquent comment s’effectuent le développement
et la reproduction des organismes et donnent des notions de base sur la structure et le fonctionnement du système nerveux humain.
Quel que soit le sujet abordé, D. Boujard sait retenir les notions essentielles et mettre en
perspective les données historiques des précurseurs de la discipline et les acquis des recherches les plus récentes pour analyser la démarche scientifique. Il appuie ses explications sur
des schémas et des clichés démonstratifs. L’usage des encadrés pour développer des questions
particulières et le renvoi aux bases de données informatisées sont des outils précieux pour qui
veut « en savoir plus ».
Au total, ce livre est une réussite dont l’usage apportera beaucoup aux psychologues en
devenir et à tous ceux qui veulent comprendre comment fonctionnent les êtres vivants.
Jean Joly,
professeur émérite à l’université de Rennes 2.
Avant-propos
L
a biologie a connu ces dernières décennies des progrès considérables. Les
connaissances acquises nous permettent de comprendre de mieux en mieux le
fonctionnement des êtres vivants et donc de l’Homme. Elles ouvrent aussi de
nouvelles approches et de nouvelles pistes pour améliorer nos conditions de vie et mieux
nous soigner. Qui n’a pas entendu parler des cellules souches, de la thérapie génique,
des retombées du développement des séquençages des génomes ? Dans le domaine des
neurosciences, les progrès sont tout aussi considérables. On est passé d’une approche
élémentaire à l’échelle du neurone à l’analyse de plus en plus détaillée du fonctionnement d’ensemble neuronaux. Et les progrès des autres disciplines comme la physique,
la chimie, les mathématiques et l’informatique permettent des développements dans le
domaine de l’imagerie, des méthodes pour traiter de plus en plus en plus d’informations et des modèles prédictifs puissants en aide à l’expérimentation. Mais, tout progrès,
toute augmentation de la connaissance, nécessite son appropriation par la société. Les
nécessaires débats éthiques sont nombreux et doivent être abordés par le plus grand
nombre. Ce qui ressort également, c’est que jamais le développement de l’interdisciplinarité entre les sciences de l’homme et de la société et les sciences du vivant ne s’est avéré
plus nécessaire.
Par rapport à cette avalanche de nouveautés, il paraît parfois compliqué de s’y
retrouver. Le premier objectif de ce manuel est donc d’essayer de donner les bases de
biologie nécessaire à des personnes qui n’ont pas forcément choisi cette matière durant
leur cursus scolaire et qui souhaitent en acquérir les fondements. L’auteur a choisi de
ne pas faire une liste exhaustive des grandes questions de la biologie mais, après avoir
replacé cette discipline dans ses frontières, de donner les bases nécessaires en biochimie
et biologie cellulaire pour ceux qui souhaiteront aborder plus sereinement des études
plus poussées dans le domaine des neurosciences. L’objectif est également de faire comprendre les fondements des nouvelles technologies dont on parle beaucoup pour participer pleinement aux débats sociétaux que tout progrès nécessite.
Bien entendu, à vouloir faire simple, on a souvent tendance à réduire. Que le lecteur
veuille bien excuser les inévitables imperfections.
XI
REMERCIEMENTS
À Laure et Servane, mes deux filles
Cet ouvrage, je ne l’ai, bien entendu, pas vraiment fait tout seul. D’abord,
même s’il a été profondément remanié au vu des découvertes de ces dernières années, il reste dans le même esprit que celui que nous avions rédigé
en 1993 avec Jean Joly. Par ma famille j’avais appris à aimer enseigner, mais
c’est Jean Joly, avec Jean Gouranton, disparu trop tôt et à qui nous avions
dédié la deuxième édition du manuel, qui m’ont appris à enseigner la biologie et à rester ouvert aux évolutions de la science. Je suis donc très honoré
que Jean Joly ait accepté de rédiger la préface de ce manuel.
Ce manuel a également bénéficié d’une aide inestimable… Il est parfois
difficile de rédiger un livre alors que d’un autre côté les tâches professionnelles ne diminuent pas et qu’il faut donc prendre sur son temps de
vacances. Cela peut être aussi difficile pour le conjoint. Mais cette fois
nous nous y sommes mis à deux et toute l’iconographie a été réalisée par
mon épouse qui n’est pourtant pas biologiste. Merci Jacqueline et n’oublie
pas que tu as promis de le lire en entier quand il sera fini cette fois !
Les Thomas, amis de toujours, ont été à nouveau mis à contribution.
Maryvonne m’a fait bénéficier de toute son expérience d’enseignante. C’est
elle qui m’a repris, sur quasi chaque paragraphe, pour corriger les erreurs
mais aussi et surtout pour m’aider à tenir l’objectif majeur de ce livre : qu’il
puisse être lu sans prérequis. Daniel Thomas m’a fourni de nombreuses
illustrations tirées de ses travaux de recherche anciens et actuels. Laurence
Fontaine m’a également beaucoup apporté par ses relectures qui ont bénéficié de sa connaissance dans des domaines très variés de la biologie qu’elle
a acquise en préparant avec succès nos étudiants au concours du second
degré.
Je souhaite remercier aussi toute l’équipe du « labo » avec qui je partage
le quotidien. Pour leur bonne humeur (presque toujours, il faut rester
sérieux !) et leur patience car je pense que par moments j’ai dû les lasser…
Je voudrais remercier plus particulièrement François Tiaho, Pascal Benquet, Thierry Madigou (et Maryse Madigou) et Gaelle Recher qui m’ont en
plus fourni des idées et des images. Un remerciement appuyé également à
Didier Neraudeau pour la magnifique photo et le cours particulier sur
l’évolution humaine.
J’ai demandé également à plusieurs collègues s’ils pouvaient me fournir
des images où des documents. Je n’ai eu que des réponses positives. Merci
aux professeurs Dominique Le Lannou et Jean-Yves Gauvry, et aux docteurs Isabelle Arnal, Georges Baffet, Denis Chrétien et Fabrice Wendling.
Enfin je voudrais remercier Jean Henriet et Marie-Laure Davezac-Duhem
des éditions Dunod pour la qualité de leur accueil et leur patience. Quand
on se déplace rue Laromiguière, l’accueil est toujours chaleureux et on se
sent « en famille » dans une atmosphère empreinte de professionnalisme
et de convivialité.
XII
Biologie pour psychologues
1
2
INTRODUCTION
À LA BIOLOGIE
L
e mot biologie vient du grec bios, « vie » et logos, « science ». Ce terme est utilisé pour la
première fois par l’allemand G.R.Treviranus en 1802 dans un ouvrage intitulé Biologie ou
Philosophie de la nature vivante. Pour lui, la biologie étudie « les différents phénomènes et
formes de la vie, les conditions et les lois qui régissent son existence et les causes qui déterminent son activité ». La même année, un naturaliste français, Jean Baptiste de Lamarck, l’utilise également dans son ouvrage sur l’hydrogéologie. En 1812, ce même Lamarck intitule un
de ses cours : « Biologie, considération sur la nature, les facultés, les développements et l’origine du corps vivant ».
Bien entendu depuis l’Antiquité et jusqu’à ce début du XIXe siècle, nombre de savants et de
philosophes se sont attachés à comprendre la nature de la vie, ce phénomène à la fois banal
et exceptionnel. Mais les définitions proposées doivent plus à l’idéologie qu’à l’observation.
Citons par exemple Descartes et Leibnitz qui, au XVIIe siècle, se contentent d’explications
mécanistes pour interpréter le fonctionnement des animaux sous l’emprise des seules forces
physiques qui les animent (animaux machines). L’Homme dispose en plus, selon Descartes,
d’une âme située au cœur de la boîte crânienne. Un peu plus tard, sur fond de métaphysique
se propage,avec par exemple Ernst Stahl en Allemagne,l’idée d’une « force vitale ».Cette école
de pensée, appelée vitaliste, inscrit la vie dans une sorte de combat de l’être contre les
éléments du milieu ambiant. Ainsi, Xavier Bichat, qui distingue la vie « animale » de la vie
« organique », écrit en 1800 : « la vie est l’ensemble des fonctions qui résistent à la mort ».
À partir du XIXe siècle, de plus en plus de chercheurs vont faire entrer la biologie dans le
champ des disciplines scientifiques, en s’intéressant non plus à l’étude de la vie mais à celle
des êtres vivants.
2
Biologie pour psychologues
I. LA BIOLOGIE,
UNE DISCIPLINE SCIENTIFIQUE
1. Les grands domaines de la biologie
Comprendre le fonctionnement des êtres vivants nécessite de travailler
aux différentes échelles qui les caractérisent. Il est possible d’établir une
hiérarchisation de ces domaines d’études.
Les constituants des êtres vivants ne diffèrent pas de ceux du monde qui
les entourent. L’étude de ces constituants, atomes et molécules, caractéristiques du vivant constitue le vaste domaine de la biochimie. Nous les étudierons dans le chapitre 2.
La cellule, constituée de complexes molécuAtome
laires, est considérée comme l’unité fondamenBiosphère
tale du vivant car il s’agit du plus petit
ensemble capable d’exercer les fonctions vitales
Molécule
Ecosystème
essentielles et de mener, au moins dans certaines conditions, une vie autonome. La biologie cellulaire est la discipline qui l’étudie.
Communauté
Cellule
Elle fera l’objet des chapitres 3 et 4. Certains
êtres vivants sont constitués d’une seule celPopulation
lule. Ils sont étudiés par les microbiologistes,
Tissu
alors que d’autres sont formés de milliards de
cellules. Dans ce cas, les cellules s’organisent
Organe
en tissus et organes qui collaborent entre eux
pour rendre fonctionnel l’organisme pluricellulaire. C’est le domaine d’étude du physiologiste. Nous en aborderons les grands aspects
Organisme
sme
dans les quatre derniers chapitres de ce manuel
en attachant une importance particulière au
système nerveux.
Les organismes, qu’ils soient unicellulaires Figure 1.1 – Les différents niveaux d’organisation du vivant.
ou pluricellulaires forment des populations.
Ces organismes sont très nombreux et certains
ne sont plus que sous la trace de fossiles. Leurs caractéristiques font l’objet
des études des zoologistes, botanistes et paléontologues.
Les différentes populations interagissent entre elles pour former des
communautés et avec leur milieu environnant dans le cadre des écosystèmes. Nous rentrons alors dans le monde de l’écologie.
L’on voit que la biologie est une discipline très vaste comportant de
nombreux domaines qui sont cependant reliés entre eux par des concepts
communs que l’on peut résumer ainsi :
v la cellule est l’unité de base du vivant ;
v la structure et la fonction sont deux notions étroitement associées ;
v de nouvelles propriétés émergent au fur et à mesure que les systèmes se
complexifient ;
v des mécanismes de rétroactions régulent le fonctionnement des systèmes biologiques ;
Introduction à la biologie
3
l’environnement influe sur le fonctionnement des systèmes
biologiques ;
v la continuité de la vie est assurée par une information transmissible
mais présentant une certaine variabilité qui autorise son évolution.
v
2. La démarche scientifique
La biologie, en tant que science expérimentale, a pour objectif de décrire
et de comprendre le fonctionnement des êtres vivants. Elle ne cherche pas
à affirmer des vérités mais à construire, au travers de la démarche scientifique, des théories.
La démarche scientifique consiste tout d’abord à réaliser des observations sur le monde qui nous entoure puis, à partir de ces observations, à
poser des problèmes. Ces problèmes, pour être résolus, servent de base à
la définition d’hypothèses, qui permettent la réalisation d’expériences. Les
résultats de ces expériences, qui doivent impérativement être reproductibles, valident ou invalident les hypothèses. Ils font l’objet d’une communication sous forme de publications scientifiques où les auteurs expriment
également l’analyse qu’ils en ont faite. Ainsi, petit à petit, des théories
s’esquissent, qui au cours
du temps se renforcent et
Observation d’un
s’affinent.
phénomène naturel
On dit souvent aux
Définition du problème
scientifiques : « Vous
n’avez que des théories,
vous n’êtes donc sûrs de
rien ! ». En fait, seule la
Formulation d’hypothèses
première partie de la
Réalisation d’expériences
phrase est correcte, car
ceux qui la prononcent
Résultats
confondent l’hypothèse,
qui doit impérativement
être vérifiée, et la théorie
qui s’appuie sur des faits
Non
Hypothèses
avérés, même si souvent
validées
elle n’englobe pas l’en?
semble des observations.
Oui
En science, les théories
Élaboration d’une théorie
s’affinent au cours du
temps. Ainsi la théorie de
l’évolution, formulée en
Publication et diffusion des résultats
1859 par Charles Darwin
(1809-1882), a été profonFigure 1.2 – Les différentes étapes de la démarche
dément complétée et revue
scientifique.
au cours du temps comme
nous le verrons plus loin dans ce chapitre. Mais elle ne peut être opposée
au créationnisme, qui est une croyance. Dans ce dernier cas, on part du
principe de la création comme vérité et on cherche des faits qui peuvent
l’illustrer.
4
Biologie pour psychologues
II. LA THÉORIE DE L’ÉVOLUTION
1. L’origine des espèces ou la naissance
de la théorie de l’évolution
En 1859, Charles Darwin publie L’Origine des espèces, ouvrage qui suscitera d’innombrables réflexions et beaucoup de polémiques. Dans cet
ouvrage, Darwin présente les bases de la théorie de l’évolution. Il y indique
que les organismes vivants sont en perpétuelle évolution et que toutes les
espèces, y compris l’homme, descendent d’un même ancêtre commun.
Comme nous le verrons au paragraphe suivant, sa théorie de l’évolution
a été enrichie au cours du temps par les observations et les expérimentations de milliers de chercheurs qui ont travaillé et travaillent encore dans
ce domaine.
L’essentiel de la théorie de l’évolution
peut se résumer ainsi :
v les espèces vivantes manifestent une
capacité naturelle à varier ;
v cette capacité naturelle permet une
sélection de caractères qui a été de tout
temps utilisé par les sélectionneurs mais
qui existe également dans la nature et
que Darwin appelle la sélection naturelle ;
v la fécondité des espèces est élevée et
leur confère une capacité naturelle au
surpeuplement ;
Charles Darwin en 1830, un an avant
v pour autant, la planète n’est pas peuplée d’une espèce hégémonique car le d’embarquer sur Le Beagle. Il a alors
succès de la croissance et de la reproduc- 21 ans.
tion dépend des facteurs environnementaux qui eux-mêmes peuvent varier au cours du temps.
En conséquence, les multiples facteurs environnementaux induisent
une sélection naturelle à chaque génération. Ainsi les individus d’une
espèce porteurs, à un moment donné, d’une variation avantageuse se
reproduiront davantage. Si ce phénomène perdure, le variant sélectionné
aura une fréquence de plus en plus importante dans la population.
2. Une théorie en perpétuelle évolution
Historique de la notion d’évolution
Pour bien comprendre l’importance de la théorie de l’évolution, il faut
s’attacher à tracer les grandes lignes de son histoire.
De tous les temps, les hommes ont cherché à classer les organismes.
Après de multiples tentatives, certaines méthodes ont permis d’élaborer
des classifications. Par exemple, les caractéristiques morphologiques des
Introduction à la biologie
5
Taxinomie : science des lois
de la classification des êtres
vivants.
feuilles, des fleurs ou des fruits pour les végétaux, mirent en évidence les grandes familles
de la botanique. Ainsi le Suédois Carl von
Linné (1707-1778) dont la flore est encore
célèbre de nos jours pense qu’il existe une
« classification naturelle » correspondant à un
« ordre de la nature ».
Les progrès n’ont alors cessé de croître et
des scientifiques comme Bernard de Jussieu
(1699-1776) et son neveu Antoine Laurent de
Jussieu (1748-1836) pour la botanique, JeanBaptiste de Monet de Lamarck (1744-1829) et
Georges Cuvier (1769-1832) pour la zoologie
travaillent sur de nouvelles classifications en
Jean-Baptiste Monet retenant l’idée de la subordination des caracde Lamarck (1744-1829). tères, c’est-à-dire en recherchant les caractères
constants à un niveau donné et pertinents
d’un point de vue taxinomique.
Georges Cuvier admet, après avoir décrit de nombreux spécimens de restes
d’animaux disparus, que des faunes et des flores différentes dans leur composition se sont succédées à la surface de la terre. Mais il soutient que c’est à
la suite de grands cataclysmes qu’il appelle « les révolutions de la surface du
globe » que ces modifications se sont produites. Chacun de ces bouleversements aurait abouti à repeupler les zones dévastées. Ainsi, il ne remet pas en
cause la croyance de l’époque selon laquelle tous les êtres vivants ont été créés
en même temps. Ces travaux dans le domaine de la paléontologie seront
repris, en particulier par le géologue écossais Charles Lyell (1797-1875), qui
contrairement à Cuvier, pense que la terre a été façonnée sur une période très
longue et que l’étude des différentes strates permet d’évaluer dans quel cadre
chronologique s’est effectuée l’apparition des différentes espèces.
C’est à Jean-Baptiste Lamarck que l’on doit d’exprimer clairement en
1800 l’idée d’évolution dans un de ses cours. En 1801, dans la première
édition du système des animaux sans vertèbres, il publie ces lignes : « On
doit sentir qu’insensiblement, tout être vivant quelconque doit varier dans
son organisation et dans ses formes. On doit encore sentir que toutes les
Pendant presque cinq ans, Charles Darwin va naviguer sur Le Beagle autour du monde.
Il amassera ainsi tout un ensemble de données qui lui serviront de base pour la rédaction
de « L’origine des espèces ».
6
Biologie pour psychologues
modifications qu’il éprouvera dans son organisation et dans ses formes,
par suite des circonstances qui auront influé sur cet être, se propageront
par la génération, et qu’après une longue suite de siècles, non seulement il
aura pu se former de nouvelles espèces, de nouveaux ordres, mais que
chaque espèce aura même varié nécessairement dans son organisation et
dans ses formes. » L’idée d’évolution est exprimée et c’est déjà beaucoup.
Mais Lamarck est moins heureux dans les hypothèses explicatives qu’il
développe. En 1831, quand Charles Darwin s’embarque, comme naturaliste, à bord du Beagle, navire chargé d’explorer le monde, il a lu Lamarck
et Lyell, un proche qui sera l’un des premiers à défendre sa théorie de l’évolution. Au cours de ce voyage qui dure presque cinq ans (du 27 décembre
1831 au 2 octobre 1836), il accumule les observations et la récolte d’échantillons. À son retour il conçoit le plan d’un vaste ouvrage, fruit de ses
réflexions sur les mécanismes de la sélection et de l’évolution biologique
quand en 1858, survient un événement inattendu. Alfred Russel Wallace,
naturaliste anglais ayant beaucoup vécu en Inde, arrive aux mêmes conclusions que Darwin et dépose un manuscrit pour publier ses résultats. D’un
commun accord, il est décidé d’en retarder la publication. En 1958, l’article de Wallace et un bref résumé de Darwin sont publiés dans le même
numéro de la revue de la société linnéenne de Londres. Les deux hommes
ont donc la paternité de la découverte mais l’année suivante Darwin publie
L’Origine des espèces dont nous avons parlé plus haut.
L’après-Darwin
La théorie de Darwin bouleverse la vision que les chercheurs avaient du
monde qui les entoure. Elle souffre cependant d’un handicap en ne pouvant pas répondre aux questions suivantes : comment se fait la transmission des caractères et quels sont les mécanismes qui gouvernent les
phénomènes observés ?
Gregor Mendel (1822-1884) découvre les lois de l’hérédité, mais ses travaux, dont nous parlerons longuement dans le chapitre 6, n’auront pas le
retentissement attendu car ces lois n’expliquent pas les causes des variations observées. Il faudra donc attendre le début du XXe siècle pour que les
lois de Mendel soient redécouvertes par Erick Von Tschermark (18711962), Carl Correns (1864-1933) et surtout Hugo de Vries (1848-1935) qui
définit l’existence des mutations. Leurs travaux donnent naissance à la
génétique des populations et renforcent la théorie darwinienne. En parallèle, la théorie chromosomique de l’hérédité (voir chapitre 6) est validée
expérimentalement par Thomas Morgan (1866-1945). Elle permet de se
faire une idée du support des caractères héréditaires jusqu’à ce que James
D. Watson (1928-) et Francis Crick (1916-2004) démontrent en 1953 comment la molécule d’ADN joue un rôle fondamental dans ce processus (voir
chapitre 2). Enfin, l’essor de la biologie du développement renforce également la théorie darwinienne en montrant que la lignée des cellules, qui
donnent les cellules sexuelles, est indépendante de la lignée des autres cellules ; ce qui va à l’encontre de la notion de l’hérédité des caractères acquis
défendue par les tenants du « néo-lamarkisme ».
Fort de toutes ces nouvelles données, le généticien Theodosius Dobsansky (1900-1975), le systématicien Ernst Mayr (1904-2005) et le paléontologue Georges G. Simpson (1902-1984) se retrouvent à l’université de
Mutation : changement
intervenant dans l’organisation
du matériel génétique
d’une cellule.
Les mutations peuvent survenir
dans toutes les cellules
mais quand elles surviennent
dans les gamètes, elles se
transmettent à la descendance
(voir chapitres 4 et 6 pour plus
de détails).
Introduction à la biologie
7
ema
Telo
n
Co
llo
dic
tyo
n
Harvard dans les années 1950 et proposent une nouvelle synthèse de la
théorie darwinienne appelée « théorie synthétique de l’évolution ».
Néanmoins de nombreuses interrogations demeurent concernant les
mécanismes opérateurs de l’évolution. En particulier, expliquer l’élimination de certains caractères ne suffit pas à rendre compte de la complexification croissante des êtres vivants. Sur le canevas du néo-darwinisme, de
nombreux chercheurs contemporains ont brodé et brodent des variantes
importantes. Citons la théorie dite « des équilibres ponctués » du paléontologue américain Stephen Jay Gould (1941-2002) qui montre que la
transformation des espèces intervient par à coups ponctués de longues
plages de stagnation.
Les progrès de la génétique du développement à partir des années quatre-vingt ont également fortement contribué à apporter de nouvelles données pour comprendre l’évolution. En association avec l’embryologie, la
paléontologie et l’anatomie, une nouvelle discipline appelée « Evo-Dévo »
est née. Elle a permis de confirmer qu’il existe une grande unité entre tous
les plans d’organisation du règne animal et de comprendre comment des
transformations rapides ont pu se produire à certaines périodes. Prenons
par exemple le cas de l’œil qui a souvent été utilisé pour critiquer la théorie
darwinienne de l’évolution. Comment imaginer qu’un organe aussi comPhylogénétique : branche de
la génétique qui traite de la
plexe ait pu se mettre en place à partir de multiples petites modifications
classification des êtres vivants.
successives et apparaître à plusieurs reprises au cours de l’évolution ?
Walter Gehring (1939-), chercheur à Bâle, a montré qu’un seul gène (voir
au chapitre 4 pour bien comprendre ce qu’est un gène) intervient dans la
mise en place de l’œil. Ce gène est présent et très peu modifié chez tous les
animaux. À tel point que Walter
Gehring a induit l’apparition d’yeux
chez la mouche (et des yeux de
Haptophytes
PLANTAE
mouche…) en ayant remplacé le gène
Cryptophytes
de la mouche par celui de la souris.
UNIKONTS
Ce résultat indique qu’un œil primitif est apparu très tôt et une seule
fois au cours de l’évolution chez un
Rhizaria
Alveolates
ancêtre commun.
Stramenopiles
Une autre grande étape dans les
travaux sur l’évolution a été franchie
avec la mise en place de méthodes
pour construire l’histoire évolutive
des êtres vivants. On doit à Willi
s
lid
he
o
Hennig
(1913-1976) d’avoir posé les
r
nt
Ce
fondements de la classification phylogénétique en 1950. Avec l’essor de
EXCAVATES
l’informatique et des techniques de
séquençage des génomes (voir chapitre 4), on assiste à un remaniement
complet de la phylogénie qui permet
Figure 1.3 – Représentation moderne de l’arbre phylogénétique du vivant
de classer tous les êtres vivants les
(© Université de Genève, Faculté des Sciences, Département de zoologie
uns
par rapport aux autres en recheret biologie animale). On constate que l’arbre d’antan qui positionnait
chant des parentés plus ou moins
l’homme tout en haut a disparu pour prendre la forme d’un « arbuste »
(nous ne rentrerons pas dans le détail de cette classification ; le lecteur
proches.
intéressé peut retrouver des références en fin de chapitre).
8
Biologie pour psychologues
III. UNE BRÈVE HISTOIRE
DE LA VIE SUR TERRE
1. L’origine des premiers êtres vivants
Depuis les travaux de Pasteur, en 1870, l’hypothèse de la génération
spontanée a été définitivement mise de côté et il est admis que tous les
organismes vivants proviennent de la reproduction d’organismes préexistants. Malgré tout, la question de l’origine des premiers organismes vivants
demeure. En 1978, en s’appuyant sur les techniques modernes de phylogénétique, Carl Woese identifie un nouveau règne, les archaebactéries qui
vient s’ajouter aux deux précédents, les bactéries et les eucaryotes (cellules
possédant un noyau, voir
chapitre 3). Ces archaebactéEucaryotes
ries vivent dans des milieux
extrêmes, qui ressemblent à
ceux de la Terre primitive,
Archaebactéries
mais il s’est vite avéré que ce
règne était composé d’espèces plus complexes que
Bactéries
prévu et se situait plus près
des eucaryotes. Il est donc
peu probable qu’elles soient
Luca ?
les représent ants des
ancêtres des procaryotes et
des eucaryotes (Figure 1.4).
Ainsi, malgré tous les proLignage précédant Luca ?
grès réalisés, de nombreuses
questions restent sans
réponse et en particulier les
deux suivantes :
Figure 1.4 – Les trois règnes
du vivant selon Woese.
# Quel est l’ancêtre commun à tous les êtres vivants? Cet être virtuel, qui
serait à la base de l’arbre du vivant a été nommé LUCA par les scientifiques
pour Last Universal Common Ancestor. Il faut être conscient, que même si on
trouve LUCA, il pourrait lui-même avoir eu des ancêtres (Figure 1.4) !
Pour répondre à cette première question, on sait maintenant que la
Terre a environ 4,6 milliards d’années. On a retrouvé des traces indirectes
de vie dans des roches de 3,3 à 3,8 milliards d’années dans trois endroits
de la planète (Australie, Groënland et Afrique du Sud). Mais il reste encore
une polémique sur la possibilité que ces traces soient indépendantes d’une
activité vitale. Des expériences supplémentaires seront nécessaires pour
valider ces données. De toute façon il sera difficile de trouver des traces
plus anciennes car notre planète a subi trop de transformations depuis sa
création. C’est pourquoi, pour essayer d’aller plus loin dans cette voie, de
grands programmes sont lancés pour chercher des traces de vie dans des
météorites ou sur d’autres planètes.
" Comment s’est formée la première cellule ? Tous les êtres vivants
sont formés des mêmes constituants moléculaires que nous étudierons
dans le chapitre suivant. Trois types de molécules s’avèrent indispensables :
Introduction à la biologie
9
des molécules de compartimentation, qui forment les membranes, des molécules informatives,
qui assurent le transfert de l’information et des
molécules catalytiques qui autorisent les réactions chimiques.
Les données accumulées par les astrophysiciens montrent que les molécules prébiotiques,
indispensables à l’apparition de la vie, existent
ailleurs dans l’univers et beaucoup pensent
actuellement que des formes de vie existent
ailleurs que sur Terre. De nombreuses expériences
permettent actuellement de se faire une idée de la
façon dont sont apparues les premières cellules.
Toutefois, de nombreux travaux et découvertes
seront encore nécessaires pour confirmer les différentes hypothèses proposées et aboutir à une
théorie susceptible de les rassembler.
Une première expérience illustre les recherches
menées dans ce domaine. En 1953, Stanley
Miller, dans le laboratoire d’Harold Urey, à l’uniFigure 1.5 – Représentation schématique
versité de Chicago, construit un appareil dans
de l’expérience de Stanley Miller.
lequel il fait le vide avant d’introduire un mélange
gazeux mimant au mieux l’atmosphère supposée
de la Terre de l’ère prébiotique. De l’eau contenue dans un ballon représente l’océan. Cette eau est portée à ébullition, car il faisait très chaud à
l’époque, et des étincelles produites par des décharges électriques imitent
les éclairs des violents orages qui devaient se produire. Enfin un système
de refroidissement mime la formation de pluies qui retombent dans
l’océan. Ce système est très simple, et Miller éprouve lui-même des doutes
sur la possibilité d’obtenir des résultats de cette manière. On dit même
qu’il fit les premières expériences en cachette ! Et pourtant en analysant
les produits formés en cours d’expérience, il constate que de nombreux
composés organiques caractéristiques du vivant ont été synthétisés sans
qu’il y ait le moindre être vivant dans le système.
Cette expérience a depuis été maintes fois reproduite et a permis de
faire avancer la compréhension des mécanismes qui ont permis la formation des premières molécules organiques, mais des interrogations
demeurent.
En 1980, Tom Cech et Sydney Altman font une découverte importante,
récompensée par le prix Nobel de chimie en 1989. Ils montrent que certaines molécules d’ARN (voir chapitre 2) sont douées à la fois de pouvoir
autocatalytique, c’est-à-dire qu’elles ont la possibilité de se reproduire et
donc de transmettre une information, mais aussi de faciliter la réalisation
de réactions chimiques. Ces travaux remettaient à l’honneur les hypothèses
formulées par Carle Woesel qui proposaient que les molécules d’ARN
étaient les premières molécules à être apparues. Elles auraient pu se
retrouver enfermées à l’intérieur de sphéroïdes composées des molécules
qui constituent les membranes de nos cellules…
Mais les ARN sont des molécules fragiles. Comment pouvaient-elles
fonctionner dans des conditions où il n’existait encore aucun être vivant ?
10
Biologie pour psychologues
Cette critique a été au moins partiellement levée en 2009 par l’équipe de
John D. Sutherland de l’université de Manchester qui a démontré que de
l’ARN pouvait être synthétisée dans des conditions prébiotiques…
2. L’enseignement de la paléontologie
La paléontologie, ou sciences des fossiles, est sans aucun doute la discipline qui a donné ses premières bases solides à la théorie de l’évolution.
Elle a permis de décrire, malgré des lacunes inévitables, la progression en
complexité des êtres vivants en fonction du temps écoulé, temps dont la
mesure est devenue de plus en plus précise.
Fossile : reste d’organismes
conservés au moment
du dépôt de roches
sédimentaires en formation.
L’époque précambrienne
È
C’est l’immense
période inaugurée il y a
un peu plus de quatre
Actuel
Hommes
milliards d’années, après
Mammifères
le refroidissement de la
Végétaux et
croûte superficielle du
animaux
globe. Elle s’est achevée
1MdA
pluricellulaires
il y a un peu plus de
600 millions d’années
Algues
(Figure 1.6). Nous
2MdA
venons de voir la diffiBactéries
culté à dater l’appariphototrophes
tion, au cours de cette
période, des premiers
3MdA
Bactéries
êtres vivants, même si
primitives
3,3MdA
un certain nombre d’arApparition
?
de la vie
guments expérimentaux
3,8MdA
font penser que les pre4MdA
mières formes de vie
seraient apparues aux
Formation
alentours de 3,5 milde la terre
5MdA
liards d’années. Quelle
que soit la date précise
de l’apparition de la vie
sur notre planète, il est Figure 1.6 – Les grandes étapes de l’évolution
en revanche avéré que (MdA = milliard d’années).
pendant une grande
période comprise de – 1,5 à – 1 milliard d’années, différents groupes d’organismes unicellulaires ont mis à profit cette période pour apparaître et
commencer à se diversifier. Bien qu’aucune démonstration complète n’ait
encore été établie, il semble qu’alors des relations de type symbiotique se
soient formées entre cellules procaryotes et aient abouti aux premières
cellules eucaryotes. Les cellules eucaryotes peuvent respirer plus efficacement (voir chapitre 3 le paragraphe sur la mitochondrie) et atteindre des
tailles beaucoup plus importantes. Leur niveau d’organisation est nettement supérieur. Au cours de cette période, les organismes photosynthétiques, qui utilisent l’énergie solaire et les molécules minérales pour se
Symbiose : association
à bénéfice mutuel entre deux
individus d’espèces différentes.
Introduction à la biologie
11
nourrir, se multiplient et changent complètement l‘atmosphère de la planète en produisant de l’oxygène. L’oxygène provoque la formation de la
couche d’ozone, qui, en filtrant les rayons ultra-violets favorise le développement et la diversification de la faune et de la flore. Vers – 650 millions
d’années on assiste à une explosion du nombre de métazoaires, c’est-à-dire
des organismes d’animaux pluricellulaires. À l’issue de cette très longue
période, dont la durée, rappelons-le, se compte en milliards d’années, se
déroulent les ères géologiques proprement dites qui commencent il y a
600 millions d’années.
Ère primaire : les premiers vertébrés
0
Quaternaire
Tertiaire
- 65
Secondaire
- Évolution humaine
- Diversification des
mammifères et des
oiseaux
- Primates
- Disparition des dinosaures
- Oiseaux
- Mammifères
- 220
- Reptiles
Primaire
- Amphibiens
- Poissons
- 600
Ères
Grandes étapes
Figure 1.7 – Apparition des espèces de vertébrés
au cours des ères géologiques.
Cet insecte, un hyménoptère
d’une famille maintenant
disparue, est vieux de
100 millions d’années et
mesure 4 mm. Il a été
emprisonné dans de la résine
de conifères, l’ambre, ce qui
explique son état de
conservation remarquable. Il a
été découvert sur un site de
Charente-Maritime mis à jour
par Didier Neraudeau,
professeur à l’Université de
Rennes (photo : © Vincent
Perrichot, CNRS/Université de
Rennes 1).
12
Elle dure plus de 300 millions d’années et la plupart des grands schémas d’organisation des métazoaires se mettent en place. Les premiers vertébrés,
les agnathes (sans mâchoires) et les poissons y
côtoient des invertébrés en pleine explosion. Après
une grande diversification en milieu aquatique,
végétaux et invertébrés commencent à coloniser le
milieu terrestre. De grandes forêts peuplées d’insectes géants se mettent en place. Vers le milieu de
l’ère primaire les poissons sont bien diversifiés et les
premiers tétrapodes, animaux à quatre pattes, apparaissent sous la forme d’amphibiens primitifs. Ils
sortent bientôt sur la terre ferme et s’y diversifient
en donnant les premiers reptiles. Cette seconde
partie de l’ère primaire est caractérisée par une abondance de forêt de fougères géantes dont les restes
donnent la houille tandis que les microflores se
transformeront en pétrole…
Ère secondaire : les reptiles,
maîtres du monde
Elle se déroule entre – 220 millions d’années et – 65 millions d’années.
C’est une période très riche, marquée par l’intense diversification des reptiles, dont les fameux dinosaures,
qui peuplent les terres émergées,
l’air et l’eau en donnant naissance
à des espèces gigantesques ou
minuscules, carnivores et herbivores… Parmi les reptiles, certains
acquièrent une organisation plus
sophistiquée, un cerveau plus
volumineux, des dents et des
membres plus efficaces. Ils annoncent les premiers mammifères,
guère plus gros qu’une souris. À
partir d’autres groupes de reptiles
apparaissent les premiers oiseaux.
Les conifères dominent le monde
Biologie pour psychologues
végétal. Puis il y a 65 millions d’années, un bouleversement majeur et
brutal anéantit un très grand nombre d’espèces. La chute d’une très grosse
météorite, dont l’impact a laissé un cratère de 180 km de diamètre dans la
province du Yucatan au Mexique, provoqua un changement climatique
majeur à l’origine de la mort de nombreuses espèces végétales et animales.
Les dinosaures et la plupart des autres reptiles disparaissent laissant le
champ libre au développement des mammifères. Ces derniers, occupant
des niches écologiques laissées vacantes, subissent une expansion et des
perfectionnements rapides. Parmi eux, les premiers primates qui apparaissent il y a 70 millions d’années.
Ère tertiaire : la diversification des mammifères
et la montée des primates
Elle s’étend sur un peu plus de 60 millions d’années et comporte un
événement climatique majeur, une glaciation, il y a 34 millions d’années.
Pendant cette période, en même temps que les autres mammifères, le
nombre d’espèces de primates augmente. Certaines présentent un volume
crânien qui s’accroît de manière importante. Les uns développent des
membres antérieurs propices à la vie dans les arbres. Ils vivent principalement en forêt et sont les ancêtres de nos singes actuels. D’autres acquièrent la marche bipède, comme le montrent bien la structure de leur bassin
et la position de leur trou occipital qui marque l’implantation du crâne sur
les vertèbres. C’est pendant la dernière partie de cette ère qu’apparaissent
les australopithèques dont l’histoire nous intéresse particulièrement.
Ère quaternaire : la mise en place
des espèces actuelles
Comparée aux précédentes, l’ère quaternaire est très brève : 1,8 million
d’années. Pour l’espèce humaine, elle est d’une importance majeure
puisque c’est au cours de cette période que s’effectue une phase cruciale de
l’évolution de la « famille » humaine comme nous allons le voir plus en
détail dans le paragraphe suivant.
Introduction à la biologie
13
3. L’arrivée de l’homme
L’histoire de l’Homme moderne est très récente : si le temps écoulé
depuis l’apparition des premiers êtres vivants jusqu’à nos jours était rapporté à une année, les premiers hommes apparaîtraient dans la soirée du
31 décembre et la civilisation se développerait lorsque les douze coups de
minuit auraient commencé à sonner.
Figure 1.8 – Arbre phylogénétique des grands singes.
Des origines difficiles à établir
L’Homme fait partie, avec l’ensemble des singes, de l’ordre des primates,
apparu à la fin de l’ère secondaire il y a 70 millions d’années. Les premiers
primates n’étaient pas plus gros qu’un rat.
L’ère tertiaire, comme nous venons de le voir au paragraphe précédent,
donne naissance, entre autres, aux singes anthropoïdes (hominoïdés) dont
les hominidés qui surviennent il y a plus de 15 millions d’années. Cette classification, d’abord réalisée sur la base de caractères morphologiques, est
maintenant validée par les analyses d’ADN (voir chapitre 4) montrant que
le chimpanzé et le bonobo sont effectivement les plus proches de l’homme.
Mais une fois cette classification établie, il faut retrouver les ancêtres
communs et là les affaires se compliquent… car c’est une vieille histoire.
Ce qui apparaît aujourd’hui comme le premier des grands singes bipèdes
a été découvert par une équipe franco-tchadienne dirigée par Michel
Brunet, professeur à l’université de Poitiers et au collège de France en 2001
au Tchad. Ce possible ancêtre de l’Homme est vieux de 7 millions d’années
et répond au nom savant de Sahelanthropus tchadensis (appelé Toumaï) On
ne possède que son crâne, mais l’emplacement du trou occipital, qui assure
la continuité entre notre cerveau et la moelle épinière, témoigne d’une
démarche bipède. Toumaï, qui signifie en langue goran, « espoir de vie »,
mesurait entre 1 mètre et 1,30 mètre avec un volume crânien proche de
celui du chimpanzé actuel.
14
Biologie pour psychologues
Quelques mois avant la découverte de
Toumaï, deux autres paléontologistes du
Muséum national d’histoire naturelle, Brigitte Senut et Martin Pickford, avaient
découvert des restes de mâchoires et de
membres d’un autre primate de même taille,
à locomotion bipède et vieux de six millions
d’années. Il s’agit d’Orrorin (Orrorin tugenesis). Mais comme on peut le voir sur la
figure 1.9, d’autres découvertes seront nécessaires pour combler les lacunes dans la
recherche de nos ancêtres.
Il existe plus de données sur la période
allant de – 4 millions d’années à – 2 millions
d’années. Les premiers fossiles ont été
découverts en Afrique du Sud par un anthropologue australien, Raymond Dart (18931988)
en
1924.
Dénommés
Australopithèques, pour « singes du sud »,
plusieurs autres espèces ont été découvertes
peu de temps après. Elles ont coexisté et ont
peuplé l’Afrique entre 4 et 1 millions d’années. Leur classification fait encore l’objet
de très nombreuses controverses mais les
formes aethiopicus, bosei et robustus sont maintenant placés dans le genre Paranthropus.
Le plus médiatique des Australopithèques, et aussi le plus ancien découvert est
sans conteste Lucy, dont le nom vient d’une
célèbre chanson des Beatles. Découverte par
une équipe franco-américaine dirigée par
Yves Coppens, (professeur au Muséum
national d’histoire naturelle), Maurice Taïeb
(chercheur au CNRS) et Donald Johansson
(professeur à l’université d’Arizona), Lucy
est le squelette, complet à 40 %, d’un sujet
vraisemblablement féminin, mort à environ
20 ans, mesurant entre 1,10 mètre et 1,20
mètre et pesant 25 kg La structure de son
bassin indique qu’elle pratiquait la marche
bipède mais la structure de ses bras n’exclut
pas des pratiques arboricoles.
Homo
sapiens
0
Homo
floresiensis
Homo
neanderthalensis
0,5
Homo
heidelbergensis
1
Homo
erectus
1,5
Paranthropus
boisei
Paranthropus
robustus
Paranthropus
aethiopicus
Homo
ergaster
Homo
rudolfensis
2
Homo
habilis
2,5
Australopithecus
garhi
3
Australopithecus
Bahrelghazali
Australopithecus
africanis
Australopithecus
afarensis
3,5
4
Australopithecus
anamensis
4,5
Ardipithecus
ramidus
5
5,5
6
Orrorin
tugenensis
Sahelanthropus
Tchadensis
6,5
7
Figure 1.9 – Présentation des différents hominoïdes découverts.
Nos connaissances sont encore trop rudimentaires pour pouvoir
mettre des liens avec certitude entre les différentes espèces.
L’échelle des temps sur la droite est en million d’années.
Le genre Homo
Deux nouvelles espèces apparaissent en même temps, il y a 2,5 millions
d’années sans qu’il soit possible d’établir leur lignage avec précision. Il
s’agit d’Homo habilis et d’Homo rudolfensis. Ils cohabitent avec les
Paranthropus et sont peut-être les descendants des australopithèques. Ces
deux espèces possèdent un cerveau plus volumineux que celui des australopithèques, environ 600 cm3 pour habilis et 750 cm3 pour rudolfensis. Ces
Introduction à la biologie
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FLORESIENSIS
ERGASTER
ERECTUS
HEIDELBERGENSIS
NEANDERTHALENSIS
SAPIENS
deux espèces sont clairement
bipèdes. Ces premiers Homo
0
mesuraient environ 1,40 mètre
Asie du
Dessins
et c’est avec eux qu’ont été
0,2
Sud-Est
sculptures
découverts les premiers outils
sous forme de galets aménagés,
0,4
Pierres
rabots et racloirs. Il n’est pas
0,6
taillées
Afrique
possible aujourd’hui de déterEurope
miner
avec certitude laquelle
0,8
des deux espèces a donné naissance à Homo ergaster avec qui
1
Asie
elles ont cohabité.
1,2
En revanche, on peut consiFeu
dérer que c’est avec cette der1,4
nière espèce que l’aventure
humaine a commencé et le
1,6
reste de l’histoire, plus récente
Afrique
1,8
Galets
est beaucoup mieux docuEurope
aménagés
menté.
Asie
2Mda
Apparu il y a 1,8 million
d’années, Homo ergaster adulte
Figure 1.10 – Relation possible de filiation entre Homo ergaster et Homo sapiens.
mesure 1,70 mètre en moyenne
et il possède une bipédie semblable à l’Homme moderne avec un cerveau d’un volume compris entre
750 cm3 et 950 cm3. Homo ergaster s’est rapidement répandu dans l’Afrique
de l’Est puis du Nord avant de coloniser l’Asie et l’Europe.
Les populations d’Homo ergaster d’Asie, en particulier en Chine et en
Indonésie, développent des caractères physiques qui leur sont propres. Ils
donnent naissance à Homo erectus. Ce dernier possède une ossature plus
robuste qu’ergaster. Les os du crâne sont plus épais,
le cerveau a un volume de 900 cm3 chez les formes
L’enfant de Denisova : une nouvelle espèce?
les plus anciennes et jusqu’à 1 200 cm3 pour les
formes vieilles de seulement 500 000 ans comme
En mars 2010, des chercheurs allemands de l’Institut
l’Homme de Pékin. Spécialiste de la pierre taillée, il
Max Planck (l’équivalent du CNRS en Allemagne) ont
utilise le feu.
publié la séquence d’ADN récupéré dans des fragments
En 2003, les restes de sept individus sont
de squelette vieux de 40 000 ans découvert en Sibérie
retrouvés au fond d’une caverne d’une île d’Indoavec des dents et des bijoux.L’objectif était de savoir s’il
nésie, l’île de Flores. D’une petite taille, environ 1
s’agissait d’un exemplaire d’Homo neanderthaliensis ou
mètre, ils vivaient sur l’île il y a 18 000 ans et on ne
d’Homo sapiens. Surprise : les premiers résultats monsait pas quand les derniers représentants de cette
trent qu’il s’agit sans doute d’une troisième espèce qui
espèce se sont éteints. Appelés Homo floresiensis, ils
aurait quitté l’Afrique après l’expansion d’Homo erectus.
appartiendraient à une population d’Homo erectus
L’aventure scientifique continue…
qui aurait subi une régression de taille suite à leur
isolement géographique dans une île.
D’autres populations d’Homo ergaster donnent
naissance à Homo heidelbergensis. Comme Homo erectus en Asie, leur volume
crânien augmente progressivement de 800 cm3 à 1 200 cm3. Ils occupent
une bonne partie de l’Europe et des vestiges de feu ont souvent été découverts à leur côté. Les populations européennes d’Homo heidelbergensis, isolées au cours des glaciations sont à l’origine d’un nouveau phénomène de
spéciation c’est-à-dire d’apparition d’une nouvelle espèce avec Homo néan-
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