Organisation du monde vivant Aix- Montperrin Année 2006-2007 SV2 A Organisation du monde vivant Aix- Montperrin Année 2006-2007 Introduction à la systématique L’arbre du vivant Caractéristiques de la lignée verte Caractéristiques des Métazoaires E. Franquet

Introduction à la systématique

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

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

Quelques chiffres... D’après Lecointre et Le Guyader : 1 747 851 organismes vivants Nombre d’espèces estimée : entre 7 et 100 millions !!! 10 000 nouvelles espèces par année !!! Introduction à la systématique

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

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 d’EVOLUTION qui sont à l’origine des espèces Introduction à la systématique

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

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

Il existe 6 espèce jumelles dans le complexe « Anophèles »

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

Comment classer les organismes vivants ? Méthode « divisive » : Diviser l’ensemble des organismes suivant des critères prédéfinis, en répétant cette opération jusqu’à ce qu’on arrive aux seules espèces (Définition Dérivée d’Aristote). Chaque étape correspond à un partage dichotomique dont l’un des terme est défini négativement par rapport à l’autre. Exemple : plantes à fleurs/plantes sans fleurs Introduction à la systématique

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

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

Méthode « agglomérative » : Les carrés Les triangles Les losanges

Principe de la systématique cladistique Objectif : classer les espèces en groupes monophylétiques ou clades : un ancêtre et tous ses descendants. 1 Branche = un groupe monophylétique = clade A B C D Groupes paraphylétiques 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 d’un ancêtre commun. Introduction à la systématique

Notion de caractères dérivés Qu’est ce qu’un caractère ? Tout structure observable, sur laquelle on peut faire une hypothèse d’homologie, a un caractère particulier (forme, composition biochimique). Notion d’homologie : Lorsqu’on compare des organismes de même plan d’organisation, ces structures entretiennent les même connexions avec les structures voisines, et ce quelles que soient leurs formes et leurs fonctions. Elles sont héritées d’un ancêtre commun Introduction à la systématique

Membre antérieur des Mammifères Humérus Cubitus Radius Carpe Métacarpe Phalange

Principe de la systématique cladistique Synapomorphie Symplésiomorphie a a’ a’ b b Espèces A B C b’ A B C a b 1er cas : caractère ancestral a 2eme cas : caractère ancestral b

Principe de la systématique cladistique 1 Branche = un groupe monophylétique = clade Groupes paraphylétiques Groupe monophylétique A B C D 1 noeud = Cladogenèse = Formation d’une nouvelle lignée 1 groupe est monophylétique si: toute espèce lui appartenant est plus étroitement apparentée à n’importe laquelle des espèces du groupe qu’à tout autre espèce n’en faisant pas partie.

Principe de la systématique cladistique Hypothèses * les clades proviennent de la descendance des taxons déjà présents. * la formation d’un clade se fait par bifurcation. * les caractères changent progressivement, notamment sous l’effet 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) Introduction à la systématique

L’arbre du vivant

Les 3 EMPIRES (Domaines) Archées Eucaryotes Eubactéries Procaryotes L’arbre du vivant

Arbre phylogénétique universel : introduction 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 d’autres clades) Avancée technique : biologie moléculaire permet de comparer des organismes qui ne se ressemblent pas du tout L’arbre du vivant

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 grosse sous-unité (50S chez les procaryotes, 60S chez les eucaryotes) est constituée de 2 chaînes ARN (5S + 23S / 5S + 28S ). La plus petite sous-unité (30s/40S) contient une chaîne d'ARN (16S / 18S) L’arbre du vivant

REMISE EN CAUSE DE CETTE CLASSIFICATION L’arbre du vivant

L’arbre du vivant

Qu’est ce qu’un grade ? Un grade est groupe d’organismes 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 L’arbre du vivant

Les 3 EMPIRES (Domaines) Archées Eucaryotes Eubactéries Procaryotes L’arbre du vivant

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

9021 espèces (suivant l’ARN 16S) Les Eubactéries Diversité 9021 espèces (suivant l’ARN 16S) La taille des Eubactéries varie de 0,05 µm (nanobactéries) à 600 µm pour une bactérie symbiote de l’intestin d ‘un poisson-chirurgien Diversité des ressources énergétiques Selon les lignées, on trouve - 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) - des aérobies ou des anaérobies strictes. L’arbre du vivant

Les Eubactéries Ecologie 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. Elles jouent aussi un rôle prépondérant dans le recyclage des déchets organiques (Chaîne d’oxydation de la matière organique azotée). L’arbre du vivant

Les archées Définitions découvertes à la fin des années 1970, par Carl Woese (l'Université de l'Illinois à Urbana, États-Unis). Définitions 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 Photo en microscopie électronique de Pyrodictium connecté par un réseau de fibres protéinique (Rieger 1995) L’arbre du vivant

En quoi les archéobactéries se différencient-elles des bactéries et des eucaryotes ? 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. L’arbre du vivant

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

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. 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. Les Archées méthanogènes vivent dans le rumen des ruminants, elles produisent du méthane à partir du CO2 et de l’H2 Dans une acidité pH=0, De même, certaines archéobactéries prolifèrent dans des sels à 30 % = HALOBACTERIE, elles sont photosynthétiques L’arbre du vivant

Références bibliographiques Lecointre G., Le Guyader H. 2001. Classification phylogénétique du vivant. Belin, Paris, 543 pp. Lévêque C. & Mounolou J.C. 2001. Biodiversité. Dunod, Paris, 248 pp. Tassy P. 1998. L’arbre à remonter le temps. Latitude, Paris, 388 pp.

Quelques caractères dérivés propres 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 1- L’ADN, sous forme de chromosome, est contenu dans un noyau, délimité par une membrane nucléaire 2- Les mitochondries assurent la fonction de respiration 3- La division cellulaire est une mitose L’arbre du vivant

Les Eucaryotes Ecologie Répartition mondiale, à toutes latitudes, profondeurs ou altitudes Fondamentalement Aérobie L’arbre du vivant

Autres Unicellulaires Les Eucaryotes Arbre simplifié d’après Lecointre et Le Guyader p.97 Lignée verte Champignons Métazoaires Lignée brune Autres Unicellulaires L’arbre du vivant

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

La lignée verte Glaucophytes Rhodobiontes Algues vertes Chlorobiontes Spirogyra Unicellulaire avec deux flagelles inégaux Glaucophytes Rhodobiontes Algues vertes Métabiontes Chlorobiontes Embryophytes L’arbre du vivant

Mousse Hepatica Les Embryophytes Fougère Les Conifères Les Angiospermes

Les Champignons   Mycélium Rond de sorcière L’arbre du vivant

Les Métazoaires L’arbre du vivant

Bilatériens         Deutérostomiens Protostomiens L’arbre du vivant

La lignée brune Diatomées Fucus vesiculosus

Les autres unicellulaires Cilié : Paramécie Foraminifères Euglène : Flagellés Amibe

Les hypothèses de l’ancêtre commun : LUCA LUCA : Last universal common ancestor L’arbre du vivant

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

Portrait robot de LUCA : possédait un génome à ADN . était capable d’assurer le maintien de son information génétique les mécanismes moléculaires d’oxydation devaient déjà être en place, malgré un environnement dépourvu d’oxygène.

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

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

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

Autotrophie et Photosynthèse 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). 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 Caractéristiques de la lignée verte

Caractéristiques des Embryophytes Les tissus végétaux Alternance de phases chromosomiques

Mousse Hepatica Les Embryophytes Fougère Les Conifères Les Angiospermes

Les tissus Les cellules d'un végétal vont se différencier, se spécialiser pour former différents tissus. les méristèmes les tissus superficiels les tissus vasculaires les tissus assimilateurs et de réserve les tissus de soutien Coupe transversale tige 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. Caractéristiques des végétaux

Les tissus Totipotentialité et multiplication végétative Facilité de régénération qui contrebalance l’incapacité de fuir. Caractéristiques des végétaux

Alternance de phases chromosomiques et alternance de générations 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. C’est le stade diploïde, 2N chromosomes

Le gamétophyte est le stade haploïde du cycle reproductif des plantes 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.

Alternance de phases chromosomiques et alternance de générations Caractéristiques des embryophytes

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

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

Diploblastiques et triploblastiques Blastula Gastrulation Gastrula Caractéristique des animaux

Cnidaires Spongiaires

Protostomiens et deutérostomiens 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. chez les protostomiens le blastopore deviendra la bouche de l'adulte, chez les deutérostomiens il donnera l'anus. Caractéristique des animaux

Autres Les Protostomiens

Exemple de Protostomiens MONOPHYLETIQUE Caractéristique des animaux

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

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. 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. Caractéristique des animaux

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

Schémas d’acoelomates et Coelomates

Céphalisation Ce phénomène désigne l'importance croissante de la partie antérieure du corps au cours de l'évolution. Pour qu'il ait céphalisation, il faut qu'il y ait partie antérieure et donc symétrie bilatérale. Ce phénomène se manifeste de deux façons : 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, Caractéristique des animaux

Céphalisation 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. Caractéristique des animaux

Céphalisation Caractéristique des animaux

Métamérie Le corps d'un animal métamérisé est constitué d'une succession de segments (métamères) clairement discernables. 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 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

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

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 d’illustrer 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

1) Expliquer le principe de la systématique cladistique (2 points). 2) Quelle sont les trois branches de l’arbre universel, pourquoi a t-on réussi à construire cet arbre (2 points) ? 3) Qu’est ce qui caractérise la lignée verte (2 points). 4) Qu’est ce qui caractérise les métazoaires (2 points). 5) Compléter cet arbre (simplifié d’après Lecointre et Le Guyader) en replaçant « la lignée verte », « la lignée brune », « les autres unicellulaires » et « les Métazoaires ». Donner et placer le 5ème groupe. S’il y a plusieurs possibilités, donner en une seule (2 points).

Références bibliographiques Lecointre G., Le Guyader H. 2001. Classification phylogénétique du vivant. Belin, Paris, 543 pp. Lévêque C. & Mounolou J.C. 2001. Biodiversité. Dunod, Paris, 248 pp. Tassy P. 1998. L’arbre à remonter le temps. Latitude, Paris, 388 pp. http://www.imep-cnrs.com