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SV2 A Organisation du monde vivant Aix- Montperrin Année 2006-2007 Introduction à la systématique Larbre du vivant Caractéristiques de la lignée verte.

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1 SV2 A Organisation du monde vivant Aix- Montperrin Année Introduction à la systématique Larbre du vivant Caractéristiques de la lignée verte Caractéristiques des Métazoaires E. Franquet

2 Introduction à la systématique

3 Les caractéristiques du vivant - Constitués de cellule(s): unité fondamentale de la vie Croissance et reproduction, réaction à des stimuli, métabolisme, adaptation et évolution Introduction à la systématique - Capables de recopier par eux mêmes leur séquence dADN et de propager leur séquence dADN dans lespace et dans le temps - Capables de traduire linformation génétique en protéines enzymatiques ou constitutives. CES 3 PROPRIETES DAUTONOMIE DEFINISSENT LA VIE

4 Organisation du monde vivant Atomes Molécules Organe Organisme Population Cellules Organites Biosphère Ecosystème Tissus

5 Daprès Lecointre et Le Guyader : organismes vivants Quelques chiffres... Nombre despèces estimée : entre 7 et 100 millions !!! nouvelles espèces par année !!! Introduction à la systématique

6 Quelques définitions Taxon et taxinomie (ou taxonomie) Introduction à la systématique Délimitation, description, inventaire et dénomination des taxons dans un système de nomenclature scientifique La nomenclature binominale de LINNE (1750) TAXONS : Les groupes dorganismes définis par la taxinomie Exemple : Espèce Homo sapiens Genre Homo Famille des Hominidae Ordre des Primates

7 Quelques définitions... La systématique : Objectifs : 1) TAXINOMIE 2) Comprendre les relations de parenté entre les organismes tant vivants que fossiles: PHYLOGENIE 3) Comprendre les mécanismes dEVOLUTION qui sont à lorigine des espèces Introduction à la systématique

8 Quelques définitions (suite) Qui sont les systématiciens ? Biologistes moléculaires Généticiens Ecologues Naturalistes Introduction à la systématique

9 La systématique : pour faire quoi ? Rendre intelligible limmense diversité du monde vivant Applications: Santé publique : lutte contre les épidémies parasitaires Pharmacie : recherche de nouvelles molécules Agronomie : lutte contre des attaques parasitaires Ecologie : Indicateurs de pollutions Sciences de lenvironnement : reconstruction des climats

10 Il existe 6 espèce jumelles dans le complexe « Anophèles »

11 BIOINDICATEUR Désigne des taxons du fait de leurs particularités écologiques, constituent l'indice précoce de modifications biotiques ou abiotiques de l'environnement dues à des activités humaines. Exemple IBGN

12 Comment classer les organismes vivants ? Méthode « divisive » : Diviser lensemble des organismes suivant des critères prédéfinis, en répétant cette opération jusquà ce quon arrive aux seules espèces (Définition Dérivée dAristote). Chaque étape correspond à un partage dichotomique dont lun des terme est défini négativement par rapport à lautre. Exemple : plantes à fleurs/plantes sans fleurs Introduction à la systématique

13 Méthode « divisive » : Critère A OUI NON Critère B OUI NON Critère C OUI NON

14 Comment classer les organismes vivants ? Méthode « agglomérative » : Rassembler les espèces en différents groupes sur des critères de similarité, puis réitérer lopération en prenant comme nouvelle unité les groupes définis à létape précédente. Dans ce cas les critères de regroupement sont défini à posteriori et peuvent être le résultat de lobservation des organismes Introduction à la systématique

15 Méthode « agglomérative » : Les triangles Les losanges Les carrés

16 Objectif : classer les espèces en groupes monophylétiques ou clades : un ancêtre et tous ses descendants.AB C D Groupes paraphylétiques Principe de la systématique cladistique Les clades sont basés sur les SYNAPOMORPHIES = caractères dérivés partagés entre les espèces (actuelles ou fossiles) connues. Ce sont les caractères que plusieurs espèces ont hérité dun ancêtre commun. Introduction à la systématique 1 Branche = un groupe monophylétique = clade

17 Notion de caractères dérivés Introduction à la systématique Quest ce quun caractère ? Tout structure observable, sur laquelle on peut faire une hypothèse dhomologie, a un caractère particulier (forme, composition biochimique). Notion dhomologie : Lorsquon compare des organismes de même plan dorganisation, ces structures entretiennent les même connexions avec les structures voisines, et ce quelles que soient leurs formes et leurs fonctions. Elles sont héritées dun ancêtre commun

18 Membre antérieur des Mammifères Cubitus Humérus Radius Carpe Métacarpe Phalange

19 Principe de la systématique cladistique 1er cas : caractère ancestral a EspècesABC a aaa ABC b bb b 2eme cas : caractère ancestral b Synapomorphie Symplésiomorphie

20 1 Branche = un groupe monophylétique = clade Principe de la systématique cladistique 1 groupe est monophylétique si: toute espèce lui appartenant est plus étroitement apparentée à nimporte laquelle des espèces du groupe quà tout autre espèce nen faisant pas partie. 1 noeud = Cladogenèse = Formation dune nouvelle lignée Groupes paraphylétiques Groupe monophylétique Groupe monophylétiqueAB C D

21 Hypothèses * les clades proviennent de la descendance des taxons déjà présents. * la formation dun clade se fait par bifurcation. * les caractères changent progressivement, notamment sous leffet de la sélection naturelle. Attributs étudiés * anatomiques, * physiologiques * embryologiques. * moléculaires : basés sur les séquences génomiques. Calcul des arbres Plusieurs algorithmes de calcul (Cf S5 module de systématique phylogénétique) Principe de la systématique cladistique Introduction à la systématique

22 Larbre du vivant

23 Les 3 EMPIRES (Domaines) Archées Eubactéries Eucaryotes Larbre du vivant Procaryotes

24 Deux avancées ont permis cela : Avancée conceptuelle : systématique phylogénétique : on recherche des clades : un ancêtre et ses descendants ayant tous le même caractère dérivé propre : synapomorphie (différent de symplesiomorphie, caractère commun mais plus ancien déjà partagé par dautres clades) Avancée technique : biologie moléculaire permet de comparer des organismes qui ne se ressemblent pas du tout Arbre phylogénétique universel : introduction Larbre du vivant

25 ARNr 16s Avancée technique : biologie moléculaire permet de comparer des organismes qui ne se ressemblent pas du tout Un Ribosome comprends deux sous-unités de tailles différentes, constituées d'ARNr associés à des protéines ribosomales. La taille relative, mesurée par le coefficient de sédimentation (s) La plus petite sous-unité (30s/40S) contient une chaîne d'ARN (16S / 18S) La plus grosse sous-unité (50S chez les procaryotes, 60S chez les eucaryotes) est constituée de 2 chaînes ARN (5S + 23S / 5S + 28S ). Larbre du vivant

26 REMISE EN CAUSE DE CETTE CLASSIFICATION

27 Larbre du vivant

28 Quest ce quun grade ? Un grade est groupe dorganismes ayant une même organisation générale et un même avancement évolutif. Le grade peut être paraphylétique par opposition au clade Exemple : Le grade des reptiles REPTILES : GRADES et non PHYLUM

29 Les 3 EMPIRES (Domaines) Archées Eubactéries Eucaryotes Larbre du vivant Procaryotes

30 Les Eubactéries Définitions Structure cellulaire sans noyau: structure PROCARYOTES Fischerella (Eubacteria, Cyanobacteria). Susan M. Barns. Larbre du vivant

31 Les Eubactéries Diversité 9021 espèces (suivant lARN 16S) La taille des Eubactéries varie de 0,05 µm (nanobactéries) à 600 µm pour une bactérie symbiote de lintestin d un poisson-chirurgien Selon les lignées, on trouve Diversité des ressources énergétiques Larbre du vivant - des aérobies ou des anaérobies strictes. - des phototrophes (tirant leur énergie de la lumière), - des chimiotrophes (trouvant leur énergie de gradients chimiques non organiques), - des hétérotrophes (trouvant leur énergie dans la matière organique, qu'elle soit vivante (parasitisme) ou morte)

32 Les Eubactéries Ecologie Elles jouent aussi un rôle prépondérant dans le recyclage des déchets organiques (Chaîne doxydation de la matière organique azotée). Larbre du vivant Les eubactéries occupent la plupart des milieux, Elles constituent certainement en nombre de cellules, et peut-être en masse, la plus grande partie du vivant. Elles remplissent des fonctions fondamentales dans l'écosystème terrestre : le cycle de l'azote ou du soufre. Les mitochondries et les chloroplastes étant des eubactéries symbiotiques, cela inclut aussi la photosynthèse et le métabolisme de l'oxygène (les eubactéries sont à l'origine de tout l'oxygène de l'atmosphère), et elles sont donc la porte d'entrée de toute l'énergie qui fait marcher le vivant.

33 Les archées Les archéobactéries ou archées ou archeas (du grec archaios, ancien et backterion, bâton) constituent un taxon du vivant caractérisé par des cellules sans noyau, comme les Eubactéries mais en diffèrent génétiquement et chimiquement Définitions découvertes à la fin des années 1970, par Carl Woese (l'Université de l'Illinois à Urbana, États-Unis). Photo en microscopie électronique de Pyrodictium connecté par un réseau de fibres protéinique (Rieger 1995) Larbre du vivant

34 En quoi les archéobactéries se différencient-elles des bactéries et des eucaryotes ? Larbre du vivant la structure et la chimie des parois cellulaires atypiques (absence de peptidoglycane classique chez les bactéries) leur métabolisme (méthanogènes...) la présence d'ARN-polymérases inhabituelles, beaucoup plus complexes que les ARN-polymérases des bactéries, et étonnamment proches de celles des eucaryotes. un chromosome circulaire de type bactérien mais comportant des gènes en mosaïque similaires à ceux des eucaryotes.

35 Les Archées Diversité 259 espèces (suivant lARN 16S) Les archéobactéries constituent un groupe très hétérogène, regroupant peu d'espèces connues (mais la liste augmente). D'un point de vue physiologique, elles peuvent être aérobies, anaérobies facultatives ou strictement anaérobies. Larbre du vivant Elles peuvent être sphériques, spirales, en forme de bâtonnet... Leur taille varie entre 0,1 et 15 µm (filaments jusqu'à 200 µm). Elles font preuve d'une grande diversité de modes de reproduction, par fission binaire, bourgeonnement ou fragmentation. D'un point de vue nutritionnel, elles se répartissent en de très nombreux groupes, depuis les chimiotrophes aux organotrophes.

36 Les Archées Ecologie Les archéobactéries se développent de préférence dans des niches extrêmes, où les conditions de vie sont très difficiles ou impossibles pour la plupart des autres organismes. Larbre du vivant Dans une acidité pH=0, le Pyrobaculum provient de réservoirs profonds de pétrole chaud. Le Methanopyrus se développe dans un fumeur en mer profonde (les fluides hydrothermaux y émergent des chambres magmatiques à des températures allant de 200°C à 350°C). Le Pyrobolus peut proliférer à 113°C. De même, certaines archéobactéries prolifèrent dans des sels à 30 % = HALOBACTERIE, elles sont photosynthétiques Les Archées méthanogènes vivent dans le rumen des ruminants, elles produisent du méthane à partir du CO2 et de lH2

37 Lecointre G., Le Guyader H Classification phylogénétique du vivant. Belin, Paris, 543 pp. Lévêque C. & Mounolou J.C Biodiversité. Dunod, Paris, 248 pp. Tassy P Larbre à remonter le temps. Latitude, Paris, 388 pp. Références bibliographiques

38 Les Eucaryotes Définition Les eucaryotes : organismes unicellulaires ou pluricellulaires définis par leur structure cellulaire. Taille variable de quelque µm à 100m Forme variable Quelques caractères dérivés propres 2- Les mitochondries assurent la fonction de respiration Larbre du vivant 1- LADN, sous forme de chromosome, est contenu dans un noyau, délimité par une membrane nucléaire 3- La division cellulaire est une mitose

39 Les Eucaryotes Ecologie Répartition mondiale, à toutes latitudes, profondeurs ou altitudes Fondamentalement Aérobie Larbre du vivant

40 Les Eucaryotes Lignée verte Champignons Métazoaires Lignée brune Autres Unicellulaires Arbre simplifié daprès Lecointre et Le Guyader p.97 Larbre du vivant

41 ENDOSYMBIOSE PRIMAIRE Chlorobiontes Rhodobiontes La lignée verte Descendant direct de l organisme qui a effectué la première endosymbiose chloroplastique (une cyanobactérie)

42 La lignée verte Larbre du vivant Glaucophytes Rhodobiontes Chlorobiontes Métabiontes Algues vertes Embryophytes Spirogyra Unicellulaire avec deux flagelles inégaux

43 Fougère Mousse Hepatica Les Embryophytes Les Conifères Les Angiospermes

44 Les Champignons Larbre du vivant Mycélium Rond de sorcière

45 Les Métazoaires Larbre du vivant

46 Bilatériens Larbre du vivant Protostomiens Deutérostomiens

47 La lignée brune Diatomées Fucus vesiculosus

48 Les autres unicellulaires Amibe Cilié : Paramécie Euglène : Flagellés Foraminifères

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50 Les hypothèses de lancêtre commun : LUCA Larbre du vivant LUCA : Last universal common ancestor

51 situer LUCA sur l'arbre universel, Et les hypothèses sur la position phylogénétique des hyperthermophiles. Larbre du vivant

52 Portrait robot de LUCA : possédait un génome à ADN. était capable dassurer le maintien de son information génétique les mécanismes moléculaires doxydation devaient déjà être en place, malgré un environnement dépourvu doxygène.

53 Chapitre 3 : Caractéristiques de la lignée verte Généralités Les caractéristiques des Embryophytes

54 La lignée verte Glaucophytes Rhodobiontes Chlorobiontes Métabiontes Algues vertes Embryophytes Spirogyra Unicellulaire avec deux flagelles inégaux Caractéristiques de la lignée verte

55 La cellule végétale se distingue de la cellule animale par trois caractéristiques cytologiques majeures : Les plastes et pigments assimilateurs, la paroi et la vacuole La cellule végétale Caractéristiques de la lignée verte Cellule végétale observée en microscopie optique (x100).

56 Autotrophie et Photosynthèse Caractéristiques de la lignée verte L'énergie requise à cette synthèse, apportée par le soleil, est captée par les pigments assimilateurs (chlorophylles) au cours de la réaction de photosynthèse que l'on peut résumer par la formule : n[CO2+H2O] + Energie lumineuse -> [CH2O]n + nO2 Ils synthétisent leur matière organique à partir de substances minérales qu'ils puisent dans le sol (eau et sels minéraux) et dans l'air (carbone sous forme de CO2).

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60 Caractéristiques des Embryophytes Les tissus végétaux Alternance de phases chromosomiques

61 Fougère Mousse Hepatica Les Embryophytes Les Conifères Les Angiospermes

62 Les tissus Les cellules d'un végétal vont se différencier, se spécialiser pour former différents tissus. Coupe transversale tige les méristèmes les tissus superficiels les tissus vasculaires les tissus assimilateurs et de réserve les tissus de soutien Caractéristiques des végétaux La formation des organes et des tissus résultent de l'activité des méristèmes et a lieu tout au long de la vie de la plante. Le regroupement de ces tissus en vue d'assurer les différentes fonctions donneront naissance aux organes : racines, tiges, feuilles et fleurs.

63 Les tissus Caractéristiques des végétaux Totipotentialité et multiplication végétative Facilité de régénération qui contrebalance lincapacité de fuir.

64 SPOROPHYTE : Individu végétal issu d'un oeuf fécondé, et qui, à maturité, porte des spores. Le sporophyte est réduit à un sporogone chez les mousses ; chez les plantes supérieures, il constitue la plante presque entière. Cest le stade diploïde, 2N chromosomes Alternance de phases chromosomiques et alternance de générations

65 Le gamétophyte est le stade haploïde du cycle reproductif des plantes. Il produit les gamètes de la plante. Chaque cellule du gamétophyte contient un seul lot de chromosomes. Chez les mousses (Bryophytes), le gamétophyte est constitué par l'axe feuillé, qui est la partie la plus visible de la plante. Chez les angiospermes, plantes à fleur, gamétophyte mâle est réduit au grain de pollen.

66 Alternance de phases chromosomiques et alternance de générations Caractéristiques des embryophytes

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68 Caractéristiques des Animaux (Métazoaires) Animaux pluricellulaire Mobiles Hétérotrophes La méiose donne des gamètes et non des spores Plus ancien fossile connu : 680 millions dannées

69 Caractéristiques des Animaux (Métazoaires) La symétrie Le nombre de feuillets embryonnaires Le coelome La métamérie La céphalisation Protostomien et deutérostomien

70 Gastrula Diploblastiques et triploblastiques Caractéristique des animaux Blastula Gastrulation

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72 Spongiaires Cnidaires

73 chez les protostomiens le blastopore deviendra la bouche de l'adulte, chez les deutérostomiens il donnera l'anus. Protostomiens et deutérostomiens Caractéristique des animaux Le tube digestif primitif, l'archenteron, communique avec le milieu extérieur par le blastopore. Toutefois, un tube digestif normal comporte deux orifices, la bouche et l'anus. L'autre extrémité de l'archenteron fusionnera avec l'ectoderme pour percer ce deuxième orifice.

74 Les Protostomiens Autres

75 Exemple de Protostomiens Caractéristique des animaux MONOPHYLETIQUE

76 Exemples de deutérostomiens Caractéristique des animaux Ascidie (Urochordés) Échinodermes CHORDES Amphioxus (céphalochordés) VERTEBRES MONOPHYLETIQUE

77 Un groupe d'animaux, les échinodermes (oursins, étoiles de mer), a abandonné la symétrie bilatérale pour revenir à une symétrie radiée d'ordre 5 ou pentaradiée. Symétrie radiée, bilatérale et pentaradiée. Symétrie de type radiée ou circulaire. Les animaux sont des sacs avec un orifice, la bouche, orienté vers le haut et une couronne de tentacule autour. On ne peux distinguer chez eux ni avant, ni arrière, ni cotés droits et gauche. La symétrie bilatérale, caractéristique de tous les autres animaux, apparaît avec le troisième Feuillet embryonnaire. N'étant plus limité à une forme circulaire, les animaux vont pouvoir avoir une morphologie très variée. Caractéristique des animaux

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79 Triblastiques acoelomates ou coelomates Caractéristique des animaux Plathelminthes (vers plats) Némathelminthes (vers ronds) acoelomates coelomates NON MONOPHYLETIQUES

80 Schémas dacoelomates et Coelomates

81 Ce phénomène désigne l'importance croissante de la partie antérieure du corps au cours de l'évolution. Céphalisation Caractéristique des animaux Ce phénomène se manifeste de deux façons : Pour qu'il ait céphalisation, il faut qu'il y ait partie antérieure et donc symétrie bilatérale. 1) le regroupement de la plupart des organes sensoriels dans la partie antérieure, autour de la bouche mieux surveiller ce qui y rentre ou de mieux diriger ses mouvements pour y amener les proies,

82 Céphalisation Caractéristique des animaux 2) le développement du système nerveux devient alors inévitable pour traiter toutes les informations qui proviennent à la tête la convergence de toutes les informations sensorielles en un même endroit permet une meilleure intégration de l'ensemble des stimuli.

83 Céphalisation Caractéristique des animaux

84 Primitivement, les métamère étaient tous identiques, ils contenaient : -une portion de tube digestif, -une portion du tégument, -une paire d'organe excréteur, -une portion de système circulatoire -son ganglion nerveux, - ses muscles, -ses glandes et sa paire de gonades (quand l'animal en possède des différenciées). Les animaux qui se rapprochent le plus de cette structure sont les annélides Métamérie Le corps d'un animal métamérisé est constitué d'une succession de segments (métamères) clairement discernables. Les métamères primitivement identiques vont se spécialiser. Les métamères vont devenir tous différents aux points que la structure métamérisée de l'animal n'est plus discernable, comme c'est le cas chez les mammifères. Caractéristique des animaux

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86 Conclusions Une nouvelle approche pour structurer le monde vivant : la cladistique Une complexité résultat de lévolution Des outils moléculaire et statistique à développer

87 Connaissances attendues Les caractéristiques du vivant : autonomie du vivant Structure hiérarchique du vivant Cellule végétale Savoir utiliser la méthode cladistique Les tissus des végétaux Le développement embryonnaire (morula, blastula Gastrula) Origine thermophile du monde vivant? LUCA Etre capable de définir et dillustrer les notions suivantes Systématique Taxinomie Monophylie Paraphylie Symplésiomorphie Synapomorphie Archéobactérie Eubactérie Procaryotes Eucaryotes Endosymbiose primaire, secondaire ARN ribosomaux Grade Phototrophe Chimiotrophe Autotrophe Hétérotrophes Lignée verte Lignée brune Métazoaire Eumétazoaires Champignon Chlorobiontes Rhodobiontes Spermaphytes Gymnosperme Angiospermes Bryophytes Fougères Eponges Cnidaires Bilatériens Protostomiens Deutérostomiens Hyperthermophilie Dernier ancêtre commun universel Gamétophytes Sporophytes Coelomates Acoelomates Céphalisation Cérébralisation Métamérisation

88 1) Expliquer le principe de la systématique cladistique (2 points). 2) Quelle sont les trois branches de larbre universel, pourquoi a t-on réussi à construire cet arbre (2 points) ? 3) Quest ce qui caractérise la lignée verte (2 points). 4) Quest ce qui caractérise les métazoaires (2 points). 5) Compléter cet arbre (simplifié daprès Lecointre et Le Guyader) en replaçant « la lignée verte », « la lignée brune », « les autres unicellulaires » et « les Métazoaires ». Donner et placer le 5 ème groupe. Sil y a plusieurs possibilités, donner en une seule (2 points).

89 Lecointre G., Le Guyader H Classification phylogénétique du vivant. Belin, Paris, 543 pp. Lévêque C. & Mounolou J.C Biodiversité. Dunod, Paris, 248 pp. Tassy P Larbre à remonter le temps. Latitude, Paris, 388 pp. Références bibliographiques


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