Phylogénie

Quelle est la définition de la phylogénie ?

L'évolution est un changement progressif et cumulatif des caractères héréditaires d'une population d'organismes. Ce changement s'est produit au cours de nombreuses générations. Les scientifiques observent les schémas des changements évolutifs pour comprendre comment les formes de vie évoluent et se ramifient en de nouvelles espèces.

L'histoire de l'évolution et les relations d'une espèce ou d'un groupe d'espèces sont appelées phylogénie. Elle est souvent illustrée à l'aide d'un diagramme de ramification appelé arbre phylogénétique. Les arbres phylogénétiques montrent comment les organismes ou les groupes à n'importe quel niveau hiérarchique sont liés les uns aux autres par des ancêtres communs.

Les catégories hiérarchiques utilisées en taxonomie sont les suivantes (de la plus petite à la plus grande) :

• Espèce

• le genre

• Famille

• Ordre

• Classe

• Phylum

• Règne

• Domaine

Lestaxonomistes regroupent les organismes qui partagent des traits et des caractéristiques similaires dans des catégories de plus en plus larges. Par exemple, le léopard(Panthera pardus), le jaguar(P. onca), le lion d'Afrique(P. leo) et le tigre(P. tigris) sont des espèces qui appartiennent au genre Panthera. Ce genre comprend tous les grands félins.

Outre ces catégories taxonomiques, la phylogénie peut également être démontrée par la cladistique , où les organismes et les groupes sont classés sur la base de leurs ancêtres communs. Ils sont regroupés en clades qui se composent d'un ancêtre commun et de ses espèces descendantes.

Un exemple de phylogénie animale

Prenons la phylogénie des mammifères comme exemple de phylogénie animale.

Phylogénie des mammifères

L'histoire de l'évolution et les relations entre les mammifères sont illustrées par un arbre phylogénétique, comme le montre la figure 1.

Dans cet exemple, nous pouvons voir comment les mammifères (une classe qui a divergé des autres tétrapodes grâce à des caractéristiques anatomiques uniques, notamment des mâchoires spécifiques et des dents différenciées) ont divergé en Monotremata (un ordre de mammifères qui pondent des œufs) et en Theria (une sous-classe de mammifères qui donnent naissance à des petits vivants).

Les mammifères thérians ont ensuite divergé en Marsupialia (une infraclasse ou un clade de mammifères qui utilisent des poches externes pour élever leur progéniture nouveau-née) et Placentalia (une infraclasse ou un clade de mammifères qui possèdent un placenta, un organe temporaire qui relie l'embryon à l'utérus de la mère).

Cet exemple montre comment l'ascendance commune peut être déduite de traits similaires et comment la divergence peut être déduite de l'émergence de nouveaux traits.

Figure 1. Cet arbre phylogénétique montre l'histoire de l'évolution et les relations entre les groupes de Mammalia.

Figure 1. Cet arbre phylogénétique montre l'histoire de l'évolution et les relations entre les groupes de Mammalia. Source : various, Public domain, via Wikimedia Commons.

Les phylogénies ne sont pas définitives - ce sont des hypothèses qui peuvent être révisées ou mises à jour en fonction des preuves disponibles. Elles sont également présentées de différentes manières. Par exemple, la figure 2 est un autre arbre phylogénétique des mammifères. Cette version montre la phylogénie des familles sous Mammalia. Elle montre également d'autres informations, comme la répartition géographique de ces groupes de mammifères indiquée par les points sur une carte.

Figure 2. Cet arbre phylogénétique montre également l'histoire de l'évolution et les relations entre les groupes de Mammalia, mais contrairement à la figure 1, il retrace les divergences jusqu'à des familles spécifiques .

Figure 2. Cet arbre phylogénétique montre également l'histoire de l'évolution et les relations entre les groupes de mammifères, mais contrairement à la figure 1, il retrace les divergences jusqu'à des familles spécifiques. Source : Graphodatsky et al, CC BY 2.0, via Wikimedia Commons.

Quelles sont les preuves utilisées pour déterminer la phylogénie ?

Les phylogénies sont déduites à partir de différentes sources de données, notamment les fossiles, l'homologie et la biologie moléculaire. Discutons brièvement de chacun de ces éléments.

Les fossiles

Les fossiles sont des restes ou des traces préservés d'organismes d'une époque géologique passée, souvent trouvés dans des roches sédimentaires. Les archives fossiles documentent l'histoire de la vie sur Terre en se basant principalement sur la séquence des fossiles dans les couches de roches sédimentaires appelées strates. La disposition des fossiles dans les strates nous donne une idée des organismes qui existaient à une époque géologique donnée.

Les scientifiques utilisent les fossiles pour construire la phylogénie des groupes éteints et des groupes existants. Par exemple, les archives fossiles montrent que les cétacés (un ordre de mammifères marins qui comprend les baleines, les dauphins et les marsouins) ont évolué à partir de mammifères terrestres semblables aux hippopotames, cochons et vaches d'aujourd'hui. Les fossiles montrent que les os du bassin et des membres postérieurs des ancêtres disparus des cétacés sont devenus plus petits, pour finalement disparaître complètement et se transformer en nageoires et en nageoires caudales.

Homologie

L'homologie est utile pour déterminer la relation évolutive entre différents organismes. Les organismes qui partagent le plus de traits et de caractéristiques ont tendance à être plus étroitement liés. Il existe trois types d'homologie :

• L'homologie morphologique , c'est lorsque différentes espèces ont des structures similaires avec la même forme de base en raison d'un ancêtre commun. Par exemple, les mammifères sont classés en monotrèmes, placentaires et marsupiaux en fonction de la façon dont ils produisent leur progéniture.

• On parle d'homologie moléculaire lorsque différentes espèces ont des gènes ou des séquences d'ADN similaires qui ont été hérités d'un ancêtre commun. Ce point sera développé dans la section suivante.

• L'homologie développementale ou ontologique, c'est lorsque différentes espèces ont des structures similaires à divers stades de développement. Par exemple, tous les embryons de vertébrés (même les humains !) ont des fentes branchiales et des queues, mais celles-ci disparaissent à la naissance.

Pour déduire les phylogénies, les scientifiques font la distinction entre les caractères analogues et homologues. L'analogie signifie avoir des structures similaires, non pas en raison d'une ascendance commune mais de pressions de sélection communes. Seuls les traits homologues montrent les relations évolutives entre ces organismes.

Comment l'ADN et l'ARNr sont-ils utilisés dans la phylogénie ?

Bien que de nombreuses phylogénies aient été construites à l'aide de preuves morphologiques et fossiles, les preuves moléculaires ont aidé les scientifiques à construire des arbres phylogénétiques plus précis. L'ADN et l'ARNr (ARN ribosomique) sont utiles pour étudier les relations évolutives des organismes car tous les organismes vivants, des bactéries aux humains, les possèdent.

Les molécules d'ADN et d'ARNr sont constituées de quatre bases chimiques qui s'apparient comme suit :

• L'adénine (A) s'apparie à la thymine (T).

• La cytosine (C) s'apparie toujours avec la guanine (G).

Leséquençage de l'ADN consiste à déterminer l'ordre de ces bases chimiques. Les scientifiques utilisent le séquençage de l'ADN pour déterminer la relation évolutive des organismes en alignant des séquences comparables.

• Si les séquences ne diffèrent que sur un ou quelques sites, les espèces sont probablement très proches.

• S'il y a des bases différentes de différentes longueurs sur de nombreux sites, les espèces sont probablement très éloignées les unes des autres.

Alignement des séquences d'ADN

Les insertions et les suppressions modifient la séquence de l'ADN. Une insertion ajoute une ou plusieurs paires de bases chimiques, tandis qu'une suppression enlève une ou plusieurs paires de bases chimiques. Ces insertions et ces suppressions s'accumulent au fil du temps, ce qui complique l'alignement des séquences.

Pour y remédier, les scientifiques ont mis au point des programmes informatiques et des outils statistiques pour déterminer la meilleure façon d'aligner les séquences d'ADN et déterminer si l'alignement des séquences d'ADN est dû à une homologie ou à une coïncidence.

Les preuves moléculaires telles que l'ADN et l'ARNr peuvent également être utilisées pour la datation, tout comme les fossiles et les roches.

• L'ADN mitochondrial a des taux de mutation élevés, il peut donc être utilisé pour déterminer les relations de l'histoire de l'évolution entre des espèces étroitement liées.

• L'ARN ribosomal a un faible taux de mutation, de sorte que sa séquence et sa structure peuvent être alignées plus facilement et avec plus de précision, même pour des espèces très éloignées.

Que signifie "L'ontogenèse récapitule la phylogenèse" ?

L'ontogenèse fait référence au développement ou à toute étape du développement d'un organisme. L'expression "l'ontogenèse récapitule la phylogenèse" résume la théorie de la récapitulation élaborée par Ernst Haeckel en 1866. La théorie de la récapitulation stipule que le développement des organismes individuels (ontogenèse) reproduit (récapitule) le développement évolutif de l'espèce à partir de ses espèces ancestrales (phylogenèse).

Bien que l'affirmation "l'ontogénie récapitule la phylogénie" ne soit pas tout à fait vraie, nous pouvons apprendre de la théorie de la récapitulation que les similitudes partagées par des organismes à différents stades de développement pourraient signifier qu'ils ont évolué à partir d'un ancêtre commun. C'est pourquoi tous les vertébrés, à un moment donné de leur développement, ont des fentes branchiales et une queue.