20.2 : Déterminer les relations évolutives

Compétences à développer

• Comparez les traits homologues et analogues
• Discutez de l'objectif de la cladistique
• Décrivez un maximum de parcimonie

Les scientifiques doivent recueillir des informations précises qui leur permettent d'établir des liens évolutifs entre les organismes. À l'instar des travaux de détective, les scientifiques doivent utiliser des preuves pour découvrir les faits. Dans le cas de la phylogénie, les recherches évolutives se concentrent sur deux types de preuves : morphologiques (forme et fonction) et génétiques.

Deux options pour les similitudes

En général, les organismes qui partagent des caractéristiques physiques et des génomes similaires ont tendance à être plus étroitement liés que ceux qui n'en ont pas. Ces caractéristiques qui se recoupent à la fois morphologiquement (dans la forme) et génétiquement sont appelées structures homologues ; elles découlent de similitudes développementales basées sur l'évolution. Par exemple, les os des ailes des chauves-souris et des oiseaux ont des structures homologues (Figure\(\PageIndex{1}\)).

Figure\(\PageIndex{1}\) : Les ailes des chauves-souris et des oiseaux sont des structures homologues, indiquant que les chauves-souris et les oiseaux ont un passé évolutif commun (crédit a : modification du travail par Steve Hillebrand, USFWS ; crédit b : modification du travail par le DOI BLM des États-Unis)

Remarquez qu'il ne s'agit pas simplement d'un seul os, mais plutôt d'un groupe de plusieurs os disposés de la même manière. Plus la caractéristique est complexe, plus il est probable que tout type de chevauchement soit dû à un passé évolutif commun. Imaginez deux personnes de pays différents inventant une voiture avec les mêmes pièces et exactement dans le même arrangement, sans aucune connaissance préalable ou partagée. Ce résultat serait très improbable. Cependant, si deux personnes inventaient toutes les deux un marteau, il serait raisonnable de conclure que les deux pourraient avoir l'idée originale sans l'aide de l'autre. La même relation entre la complexité et l'histoire évolutive commune est vraie pour les structures homologues des organismes.

Apparences trompeuses

Certains organismes peuvent être très proches, même si une modification génétique mineure a entraîné une différence morphologique majeure qui leur a donné une apparence très différente. De même, des organismes non apparentés peuvent être apparentés de loin, mais se ressembler beaucoup. Cela se produit généralement parce que les deux organismes avaient des adaptations communes qui ont évolué dans des conditions environnementales similaires. Lorsque des caractéristiques similaires apparaissent en raison de contraintes environnementales et non en raison d'une relation évolutive étroite, on parle d'analogie ou d'homoplasie. Par exemple, les insectes utilisent des ailes pour voler comme les chauves-souris et les oiseaux, mais la structure des ailes et l'origine embryonnaire sont complètement différentes. Ces structures sont appelées structures analogues (Figure\(\PageIndex{2}\)).

Des traits similaires peuvent être homologues ou analogues. Les structures homologues ont une origine embryonnaire similaire ; les organes analogues ont une fonction similaire. Par exemple, les os de la nageoire antérieure d'une baleine sont homologues à ceux du bras humain. Ces structures ne sont pas analogues. Les ailes d'un papillon et celles d'un oiseau sont analogues mais non homologues. Certaines structures sont à la fois analogues et homologues : les ailes d'un oiseau et celles d'une chauve-souris sont à la fois homologues et analogues. Les scientifiques doivent déterminer le type de similitude d'une caractéristique pour déchiffrer la phylogénie des organismes étudiés.

Figure\(\PageIndex{2}\) : L'aile (c) d'une abeille domestique a la même forme que (b) une aile d'oiseau et (a) une aile de chauve-souris, et elle remplit la même fonction. Cependant, l'aile de l'abeille n'est pas composée d'os et possède une structure et une origine embryonnaire nettement différentes. Ces types d'ailes (insecte, chauve-souris et oiseau) illustrent une analogie : des structures similaires qui n'ont pas d'histoire évolutive commune. (crédit a : modification d'une œuvre par Steve Hillebrand, USFWS ; crédit b : modification d'une œuvre par le DOI BLM des États-Unis ; crédit c : modification d'une œuvre par Jon Sullivan)

Comparaisons moléculaires

Avec les progrès de la technologie de l'ADN, le domaine de la systématique moléculaire, qui décrit l'utilisation de l'information au niveau moléculaire, y compris l'analyse de l'ADN, s'est développé. Les nouveaux programmes informatiques confirment non seulement de nombreux organismes classifiés précédemment, mais révèlent également des erreurs commises précédemment. Comme pour les caractéristiques physiques, même la séquence d'ADN peut être difficile à lire dans certains cas. Dans certaines situations, deux organismes très étroitement apparentés peuvent sembler indépendants si une mutation se produit et entraîne une modification du code génétique. Une mutation par insertion ou par délétion déplacerait chaque base nucléotidique d'un seul endroit, donnant ainsi l'impression que deux codes similaires n'étaient pas liés.

Parfois, deux segments du code ADN d'organismes apparentés à distance partagent aléatoirement un pourcentage élevé de bases aux mêmes endroits, ce qui donne à ces organismes l'impression d'être étroitement liés alors qu'ils ne le sont pas. Pour ces deux situations, des technologies informatiques ont été développées pour aider à identifier les relations réelles et, en fin de compte, l'utilisation combinée d'informations morphologiques et moléculaires est plus efficace pour déterminer la phylogénie.

Evolution Connection : pourquoi la phylogénie est-elle importante ?

Les biologistes évolutionnistes pourraient énumérer de nombreuses raisons pour lesquelles la compréhension de la phylogénie est importante pour la vie quotidienne de la société humaine. Pour les botanistes, la phylogénie sert de guide pour découvrir de nouvelles plantes qui peuvent être utilisées au profit des humains. Pensez à toutes les façons dont les humains utilisent les plantes : la nourriture, les médicaments et les vêtements en sont quelques exemples. Si une plante contient un composé efficace pour traiter le cancer, les scientifiques voudront peut-être examiner tous les parents de cette plante à la recherche d'autres médicaments utiles.

Une équipe de recherche en Chine a identifié un segment d'ADN considéré comme commun à certaines plantes médicinales de la famille des Fabacées (famille des légumineuses) et a cherché à identifier les espèces présentant ce segment (Figure\(\PageIndex{3}\)). Après avoir testé des espèces végétales de cette famille, l'équipe a découvert la présence d'un marqueur d'ADN (localisation connue sur un chromosome qui leur a permis d'identifier l'espèce). Ensuite, à l'aide de l'ADN pour découvrir les relations phylogénétiques, l'équipe a pu déterminer si une plante récemment découverte appartenait à cette famille et évaluer ses propriétés médicinales potentielles.

Figure\(\PageIndex{3}\) : Dalbergia sissoo (D. sissoo) appartient à la famille des Fabacées, ou légumineuses. Les scientifiques ont découvert que D. sissoo partage un marqueur d'ADN avec des espèces de la famille des Fabacées qui possèdent des propriétés antifongiques. Par la suite, il a été démontré que D. sissoo avait une activité fongicide, ce qui confirme l'idée selon laquelle les marqueurs d'ADN peuvent être utilisés pour détecter des plantes présentant des propriétés médicinales potentielles.

Construire des arbres phylogénétiques

Comment les scientifiques construisent-ils des arbres phylogénétiques ? Une fois les caractères homologues et analogues triés, les scientifiques organisent souvent les traits homologues à l'aide d'un système appelé cladistique. Ce système classe les organismes en clades, c'est-à-dire des groupes d'organismes issus d'un seul ancêtre. Par exemple, dans la figure\(\PageIndex{4}\), tous les organismes de la région orange ont évolué à partir d'un seul ancêtre qui avait des œufs amniotiques. Par conséquent, tous ces organismes possèdent également des œufs amniotiques et forment un seul clade, également appelé groupe monophylétique. Les clades doivent inclure tous les descendants d'une branche.

Connexion artistique

Figure\(\PageIndex{4}\) : Les lézards, les lapins et les humains descendent tous d'un ancêtre commun qui avait un œuf amniotique. Ainsi, les lézards, les lapins et les humains appartiennent tous au clade Amniota. Les vertébrés sont un clade plus vaste qui comprend également des poissons et des lamproies.

Quels animaux de cette figure appartiennent à un clade qui inclut des animaux à poils ? Lequel a évolué en premier, les cheveux ou l'œuf amniotique ?

La taille des clades peut varier en fonction du point de branche référencé. Le facteur important est que tous les organismes du clade ou du groupe monophylétique proviennent d'un seul point de l'arbre. On peut s'en souvenir parce que la monophylétique se décompose en « mono », qui signifie une, et en « phylétique », qui signifie relation évolutive. La figure\(\PageIndex{5}\) montre différents exemples de clades. Remarquez que chaque clade provient d'un point unique, alors que les groupes n'appartenant pas à un clade montrent des branches qui ne partagent pas un seul point.

Connexion artistique

Figure\(\PageIndex{5}\) : Tous les organismes d'un clade proviennent d'un seul point de l'arbre. Un clade peut contenir plusieurs groupes, comme dans le cas des animaux, des champignons et des plantes, ou un seul groupe, comme dans le cas des flagellés. Les groupes qui divergent à un point de branche différent, ou qui n'incluent pas tous les groupes d'un point de branche unique, ne sont pas considérés comme des clades.

Quel est le plus grand clade de ce diagramme ?

Caractéristiques communes

Les organismes évoluent à partir d'ancêtres communs, puis se diversifient. Les scientifiques utilisent l'expression « descendance avec modification » parce que même si les organismes apparentés possèdent bon nombre des mêmes caractéristiques et codes génétiques, des changements se produisent. Ce schéma se répète encore et encore au fur et à mesure que l'on parcourt l'arbre phylogénétique de la vie :

1. Une modification de la constitution génétique d'un organisme entraîne l'apparition d'une nouvelle caractéristique qui devient prédominante dans le groupe.
2. De nombreux organismes descendent de ce point et possèdent ce trait.
3. De nouvelles variations continuent d'apparaître : certaines sont adaptatives et persistent, ce qui donne naissance à de nouvelles caractéristiques.
4. Avec de nouvelles caractéristiques, un nouveau point de branchement est déterminé (revenez à l'étape 1 et répétez).

Si une caractéristique est trouvée chez l'ancêtre d'un groupe, elle est considérée comme un caractère ancestral partagé, car tous les organismes du taxon ou du clade possèdent ce trait. Le vertébré de la figure\(\PageIndex{4}\) est un personnage ancestral commun. Considérons maintenant l'œuf amniotique caractéristique de la même figure. Seuls certains des organismes de la figure\(\PageIndex{4}\) possèdent ce caractère, et pour ceux qui en possèdent, on parle de caractère dérivé partagé parce que ce trait est dérivé à un moment donné mais n'inclut pas tous les ancêtres de l'arbre.

L'aspect délicat des caractères ancestraux et dérivés partagés est le fait que ces termes sont relatifs. Le même trait peut être considéré comme l'un ou l'autre selon le diagramme utilisé. En revenant à la figure\(\PageIndex{5}\), notez que l'œuf amniotique est un caractère ancestral commun au clade Amniota, tandis que le fait d'avoir des cheveux est un caractère dérivé commun à certains organismes de ce groupe. Ces termes aident les scientifiques à distinguer les clades dans la construction des arbres phylogénétiques.

Choisir les bonnes relations

Imaginez être la personne chargée d'organiser correctement tous les articles d'un grand magasin, une tâche ardue. Organiser les relations évolutives de toutes les formes de vie sur Terre s'avère beaucoup plus difficile : les scientifiques doivent parcourir d'énormes périodes et travailler avec des informations provenant d'organismes disparus depuis longtemps. Essayer de déchiffrer les liens appropriés, surtout compte tenu de la présence d'homologies et d'analogies, rend extrêmement difficile la tâche de construire un arbre de vie précis. Ajoutez à cela les progrès de la technologie de l'ADN, qui fournit désormais de grandes quantités de séquences génétiques à utiliser et à analyser. La taxonomie est une discipline subjective : de nombreux organismes ont plus d'un lien les uns avec les autres, de sorte que chaque taxonomiste décidera de l'ordre des connexions.

Pour faciliter l'énorme tâche qui consiste à décrire les phylogénies avec précision, les scientifiques utilisent souvent le concept de parcimonie maximale, qui signifie que les événements se sont produits de la manière la plus simple et la plus évidente. Par exemple, si un groupe de personnes entrait dans une réserve forestière pour faire de la randonnée, selon le principe de la parcimonie maximale, on pourrait prévoir que la plupart des personnes emprunteront des sentiers établis plutôt que d'en créer de nouveaux.

Pour les scientifiques qui décryptent les voies évolutives, la même idée est utilisée : la voie de l'évolution comprend probablement le moins d'événements majeurs qui coïncident avec les preuves disponibles. En commençant par tous les caractères homologues d'un groupe d'organismes, les scientifiques recherchent l'ordre le plus évident et le plus simple des événements évolutifs qui ont conduit à l'apparition de ces traits.

Ces outils et concepts ne sont que quelques-unes des stratégies utilisées par les scientifiques pour tenter de révéler l'histoire évolutive de la vie sur Terre. Récemment, de nouvelles technologies ont révélé des découvertes surprenantes associées à des relations inattendues, comme le fait que les humains semblent être plus étroitement liés aux champignons que les champignons ne le sont aux plantes. Ça a l'air incroyable ? À mesure que l'information sur les séquences d'ADN augmentera, les scientifiques se rapprocheront de la cartographie de l'histoire évolutive de toutes les formes de vie sur Terre.

Résumé

Pour construire des arbres phylogénétiques, les scientifiques doivent recueillir des informations précises qui leur permettent d'établir des liens évolutifs entre les organismes. À l'aide de données morphologiques et moléculaires, les scientifiques s'efforcent d'identifier des caractéristiques et des gènes homologues. Les similitudes entre les organismes peuvent découler soit d'une histoire évolutive commune (homologies), soit de voies évolutives distinctes (analogies). Les nouvelles technologies peuvent être utilisées pour aider à distinguer les homologies des analogies. Une fois que des informations homologues ont été identifiées, les scientifiques utilisent la cladistique pour organiser ces événements afin de déterminer une chronologie évolutive. Les scientifiques appliquent le concept de parcimonie maximale, selon lequel l'ordre des événements s'est probablement produit de la manière la plus évidente et la plus simple avec le moins d'étapes possible. Pour les événements évolutifs, il s'agirait de la voie présentant le moins de divergences majeures corrélées aux preuves.

Connexions artistiques

Figure\(\PageIndex{4}\) : Sur cette figure, quels animaux appartiennent à un clade qui inclut des animaux à poils ? Lequel a évolué en premier, les cheveux ou l'œuf amniotique ?

Réponse

Les lapins et les humains appartiennent au clade qui comprend les animaux à poils. L'œuf amniotique a évolué avant les poils parce que le clade Amniota est plus grand que le clade qui englobe les animaux à poils.

Figure\(\PageIndex{5}\) : Quel est le plus grand clade de ce diagramme ?

Réponse

Le plus grand clade englobe l'ensemble de l'arbre.

Lexique

analogie

(également, homoplasie) caractéristique qui est similaire entre les organismes par évolution convergente, et non due à la même trajectoire évolutive

cladistique

système utilisé pour organiser les caractères homologues afin de décrire les phylogénies

parcimonie maximale

appliquer la méthode la plus simple et la plus évidente avec le moins d'étapes

systématique moléculaire

technique utilisant des preuves moléculaires pour identifier les relations phylogénétiques

groupe monophylétique

(également des clades) organismes qui partagent un seul ancêtre

caractère ancestral partagé

décrit une caractéristique d'un arbre phylogénétique qui est partagée par tous les organismes de l'arbre

caractère dérivé partagé

décrit une caractéristique d'un arbre phylogénétique qui n'est partagée que par un certain clade d'organismes