12.2 : Déterminer les relations évolutives

Les scientifiques collectent des informations 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 mesures de similitude

Les organismes qui partagent des caractéristiques physiques et des séquences génétiques similaires ont tendance à être plus étroitement liés que ceux qui n'en ont pas. Les caractéristiques qui se chevauchent à la fois morphologiquement et génétiquement sont appelées structures homologues ; les similitudes proviennent de voies évolutives communes. Par exemple, comme le montre la figure\(\PageIndex{1}\), les os des ailes des chauves-souris et des oiseaux, les bras des humains et la patte antérieure d'un cheval sont des structures homologues. Remarquez que la structure n'est pas simplement un os, mais plutôt un groupe de plusieurs os disposés de manière similaire dans chaque organisme, même si les éléments de la structure peuvent avoir changé de forme et de taille.

Figure\(\PageIndex{1}\) : Les ailes de chauve-souris et d'oiseau, la patte antérieure d'un cheval, la nageoire d'une baleine et le bras d'un humain sont des structures homologues, indiquant que les chauves-souris, les oiseaux, les chevaux, les baleines et les humains ont un passé évolutif commun. (crédit une photo : modification de l'œuvre par Steve Hillebrand, USFWS ; crédit b photo : modification de l'œuvre par le BLM américain ; crédit c photo : modification de l'œuvre par Virendra Kankariya ; crédit d photo : modification de l'œuvre par le gouvernement russe/Wikimedia Commons)

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. Par exemple, les chimpanzés et les humains, dont les crânes sont illustrés sur la figure,\(\PageIndex{2}\) sont très similaires sur le plan génétique, partageant 99 pour cent ¹ de leurs gènes. Cependant, les chimpanzés et les humains présentent des différences anatomiques considérables, notamment en ce qui concerne le degré de protubérance de la mâchoire chez l'adulte et la longueur relative de nos bras et de nos jambes.

Figure\(\PageIndex{2}\) : (a) La mâchoire du chimpanzé dépasse beaucoup plus que (b) la mâchoire humaine. (crédit a : modification de l'œuvre par « Pastorius » /Wikimedia Commons)

Cependant, des organismes non apparentés peuvent être apparentés de loin tout en se ressemblant beaucoup, généralement parce que des adaptations communes à des conditions environnementales similaires se sont développées dans les deux cas. Les formes du corps épuré, les formes des nageoires et des appendices et la forme de la queue des poissons et des baleines, qui sont des mammifères, en sont un exemple. Ces structures présentent des similitudes superficielles, car elles s'adaptent aux mouvements et aux manœuvres dans le même environnement : l'eau. Lorsqu'une caractéristique similaire se produit par convergence adaptative (évolution convergente), et non en raison d'une relation évolutive étroite, on parle de structure analogue. Dans un autre exemple, les insectes utilisent leurs ailes pour voler comme les chauves-souris et les oiseaux. Nous les appelons les deux ailes parce qu'elles remplissent la même fonction et ont une forme superficiellement similaire, mais l'origine embryonnaire des deux ailes est complètement différente. La différence de développement, ou d'embryogenèse, des ailes dans chaque cas indique que les insectes et les chauves-souris ou les oiseaux ne partagent pas un ancêtre commun ayant une aile. Les structures des ailes, illustrées sur la figure,\(\PageIndex{3}\) ont évolué indépendamment dans les deux lignées.

Des traits similaires peuvent être homologues ou analogues. Les traits homologues partagent une trajectoire évolutive qui a conduit au développement de ce trait, ce qui n'est pas le cas des traits analogues. Les scientifiques doivent déterminer le type de similitude d'une caractéristique afin de déchiffrer la phylogénie des organismes étudiés.

Figure\(\PageIndex{3}\) : L'aile d'une abeille domestique a la même forme que celle d'une aile d'oiseau et d'une aile de chauve-souris et remplit la même fonction (vol). Les ailes des oiseaux et des chauves-souris sont des structures homologues. Cependant, l'aile d'abeille mellifère a une structure différente (elle est constituée d'un exosquelette chitineux, et non d'un endosquelette osseux) et d'origine embryonnaire. Les types d'ailes d'abeilles et d'oiseaux ou de chauve-souris illustrent une analogie : des structures similaires qui n'ont pas d'histoire évolutive commune. (crédit une photo : modification de l'œuvre par le BLM américain ; crédit b : modification de l'œuvre par Steve Hillebrand, USFWS ; crédit c : modification de l'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 d'informations au niveau moléculaire, y compris le séquençage de l'ADN, s'est développé. Une nouvelle analyse des caractères moléculaires confirme non seulement de nombreuses classifications antérieures, mais met également en lumière des erreurs commises précédemment. Les caractères moléculaires peuvent inclure des différences dans la séquence d'acides aminés d'une protéine, des différences dans la séquence nucléotidique individuelle d'un gène ou des différences dans la disposition des gènes. Les phylogénies basées sur les caractères moléculaires supposent que plus les séquences sont similaires chez deux organismes, plus elles sont étroitement liées. Différents gènes changent au cours de l'évolution à des rythmes différents, ce qui affecte le niveau auquel ils sont utiles pour identifier les relations. Les séquences évoluant rapidement sont utiles pour déterminer les relations entre des espèces étroitement apparentées. Les séquences évoluant plus lentement sont utiles pour déterminer les relations entre des espèces apparentées à distance. Pour déterminer les relations entre des espèces très différentes telles que Eukarya et Archaea, les gènes utilisés doivent être des gènes très anciens à évolution lente qui sont présents dans les deux groupes, tels que les gènes de l'ARN ribosomal. Comparer des arbres phylogénétiques à l'aide de différentes séquences et les trouver similaires aide à renforcer la confiance dans les relations inférées.

Parfois, deux segments d'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. Par exemple, la mouche des fruits partage 60 pour cent de son ADN avec les humains. ² Dans cette situation, des algorithmes statistiques informatiques ont été développés 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.

L'ÉVOLUTION EN ACTION : Pourquoi la phylogénie est-elle importante ?

En plus d'améliorer notre compréhension de l'histoire évolutive des espèces, y compris la nôtre, l'analyse phylogénétique a de nombreuses applications pratiques. Deux de ces applications incluent la compréhension de l'évolution et de la transmission des maladies et la prise de décisions concernant les efforts de conservation. Une étude ³ réalisée en 2010 sur le SARM (Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline), une bactérie pathogène résistante aux antibiotiques, a permis de retracer l'origine et la propagation de la souche au cours des 40 dernières années. L'étude a révélé le moment et les tendances selon lesquels la souche résistante s'est déplacée de son point d'origine en Europe vers des centres d'infection et d'évolution en Amérique du Sud, en Asie, en Amérique du Nord et en Australasie. L'étude suggère que les introductions de la bactérie dans de nouvelles populations se sont produites très peu de fois, peut-être une seule fois, puis qu'elles se sont propagées à partir de ce nombre limité d'individus. Cela contraste avec la possibilité que de nombreuses personnes aient transporté la bactérie d'un endroit à un autre. Ce résultat suggère que les responsables de la santé publique devraient se concentrer sur l'identification rapide des contacts des personnes infectées par une nouvelle souche de bactérie afin de contrôler sa propagation.

Un deuxième domaine d'utilité pour l'analyse phylogénétique est la conservation. Les biologistes ont fait valoir qu'il est important de protéger les espèces dans l'ensemble d'un arbre phylogénétique plutôt que de protéger uniquement celles d'une branche de l'arbre. Cela permettra de préserver une plus grande partie de la variation produite par l'évolution. Par exemple, les efforts de conservation devraient se concentrer sur une seule espèce sans espèces sœurs plutôt que sur une autre espèce qui possède un groupe d'espèces proches ayant récemment évolué. Si l'espèce distincte sur le plan de l'évolution disparaît, une quantité disproportionnée de variation par rapport à l'arbre sera perdue par rapport à une espèce du groupe d'espèces étroitement apparentées. Une étude publiée en 2007 ⁴ a formulé des recommandations pour la conservation des espèces de mammifères dans le monde entier en fonction de leur caractère distinct sur le plan de l'évolution et du risque d'extinction. L'étude a révélé que leurs recommandations différaient des priorités basées simplement sur le niveau de menace d'extinction pesant sur l'espèce. L'étude a recommandé de protéger certains grands mammifères menacés et appréciés tels que les orangs-outans, les pandas géants et les petits pandas, ainsi que les éléphants d'Afrique et d'Asie. Mais ils ont également découvert que certaines espèces beaucoup moins connues devraient être protégées en fonction de leur caractère évolutif distinct. Il s'agit notamment d'un certain nombre de rongeurs, de chauves-souris, de musaraignes et de hérissons. En outre, certaines espèces en danger critique d'extinction n'ont pas été considérées comme très importantes en termes de caractère évolutif, notamment des espèces de souris sylvestres et de gerbilles. Bien que de nombreux critères influent sur les décisions de conservation, la préservation de la diversité phylogénétique constitue un moyen objectif de protéger l'ensemble de la diversité générée par l'évolution.

Construire des arbres phylogénétiques

Comment les scientifiques construisent-ils des arbres phylogénétiques ? À l'heure actuelle, la méthode la plus acceptée pour construire des arbres phylogénétiques est une méthode appelée cladistique. Cette méthode classe les organismes en clades, en groupes d'organismes les plus proches les uns des autres et en fonction de l'ancêtre dont ils sont issus. Par exemple, dans la figure\(\PageIndex{4}\), tous les organismes de la région ombrée 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 les espèces ancestrales et tous les descendants d'une branche.

ART CONNECTION

Figure\(\PageIndex{4}\) : Les lézards, les lapins et les humains descendent tous d'un ancêtre commun dans lequel l'œuf amniotique a évolué. 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.

Caractéristiques communes

La cladistique repose sur trois hypothèses. La première est que les êtres vivants sont liés par la descendance d'un ancêtre commun, ce qui est une hypothèse générale de l'évolution. La deuxième est que la spéciation se fait par division d'une espèce en deux, jamais plus de deux à la fois, et essentiellement à un moment donné. Cela est quelque peu controversé, mais est acceptable pour la plupart des biologistes à titre de simplification. La troisième hypothèse est que les traits changent suffisamment au fil du temps pour être considérés comme étant dans un état différent. On suppose également qu'il est possible d'identifier la direction réelle du changement pour un état. En d'autres termes, nous supposons qu'un œuf amniotique est un état de caractère plus tardif que les œufs non amniotiques. C'est ce que l'on appelle la polarité du changement de caractère. Nous le savons en nous référant à un groupe extérieur au clade : par exemple, les insectes ont des œufs non amniotiques ; il s'agit donc de l'état de caractère plus ancien ou ancestral. La cladistique compare les ingroupes et les groupes externes. Un ingroupe (lézard, lapin et humain dans notre exemple) est le groupe de taxons analysés. Un sous-groupe (lancelet, lamproie et poisson dans notre exemple) est une espèce ou un groupe d'espèces qui divergeait avant la lignée contenant le ou les groupes d'intérêt. En comparant les membres de l'ingroupe entre eux et avec les membres de l'extérieur, nous pouvons déterminer quelles caractéristiques sont des modifications évolutives qui déterminent les points de ramification de la phylogénie de l'ingroupe.

Si une caractéristique se retrouve chez tous les membres d'un groupe, il s'agit d'un caractère ancestral partagé car il n'y a pas eu de changement dans le trait lors de la descendance de chacun des membres du clade. Bien que ces traits semblent intéressants parce qu'ils unifient le clade, en cladistique, ils ne sont pas considérés comme utiles lorsque nous essayons de déterminer les relations entre les membres du clade, car chaque membre est le même. En revanche, considérez l'œuf amniotique caractéristique de la Figure\(\PageIndex{4}\). Seuls certains organismes possèdent ce caractère et, pour ceux qui en possèdent, on parle de caractère dérivé partagé parce que ce trait a changé à un moment donné au cours de la descente. Ce personnage nous renseigne sur les relations entre les membres du clade ; il nous indique que les lézards, les lapins et les humains se regroupent plus étroitement que n'importe lequel de ces organismes ne le fait avec les poissons, les lamproies et les lancelettes.

Un aspect parfois confus des caractères « ancestraux » et « dérivés » est que ces termes sont relatifs. Le même trait peut être ancestral ou dérivé selon le schéma utilisé et les organismes comparés. Les scientifiques trouvent ces termes utiles pour distinguer les clades lors de la construction d'arbres phylogénétiques, mais il est important de se rappeler que leur signification dépend du contexte.

Choisir les bonnes relations

La construction d'un arbre phylogénétique, ou cladogramme, à partir des données des personnages est une tâche monumentale qui est généralement confiée à un ordinateur. L'ordinateur dessine un arbre de telle sorte que tous les clades partagent la même liste de caractères dérivés. Mais il y a d'autres décisions à prendre, par exemple, que se passe-t-il si la présence d'une espèce dans un clade est confirmée par tous les caractères dérivés communs à ce clade, sauf un ? L'une des conclusions est que le caractère a évolué chez l'ancêtre, mais qu'il a ensuite changé chez cette espèce. De plus, un état de caractère qui apparaît dans deux clades doit être supposé avoir évolué indépendamment dans ces clades. Ces incohérences sont fréquentes dans les arbres tirés de données sur les caractères et compliquent le processus décisionnel quant à savoir quel arbre représente le plus fidèlement les relations réelles entre les taxons.

Pour les aider à choisir le meilleur arbre, 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. Cela signifie que le « meilleur » arbre est celui qui comporte le moins d'inversions de caractères, le moins de changements de caractères indépendants et le moins de changements de caractères dans l'arbre. Des programmes informatiques parcourent tous les arbres possibles pour trouver le petit nombre d'arbres dont les voies évolutives sont les plus simples. En commençant par tous les caractères homologues d'un groupe d'organismes, les scientifiques peuvent déterminer l'ordre le plus évident et le plus simple des événements évolutifs dans lesquels ces traits se sont produits.

CONCEPT EN ACTION

Pratiquez la parcimonie : Consultez ce site Web pour découvrir comment la parcimonie maximale est utilisée pour créer des arbres phylogénétiques (n'oubliez pas de passer à la deuxième page).

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 de la section

Pour construire des arbres phylogénétiques, les scientifiques doivent collecter des informations sur les caractères 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). 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 le plus probable est probablement le chemin le plus court. Pour les événements évolutifs, il s'agirait de la voie présentant le moins de divergences majeures corrélées aux preuves.

Connexions artistiques

Figure\(\PageIndex{3}\) : 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, car le clade Amniota se ramifie plus tôt que le clade qui englobe les animaux à poils.

Notes

1. 1 Gibbons, A. (13 juin 2012). La science maintenant. Récupérée de news.sciencemag.org/scienceno... sequenced.html
2. 2 Contexte de l'analyse génomique comparative. (2002, décembre). Consulté de http://www.genome.gov/10005835
3. 3 Harris, S. R. et coll. 2010. Évolution du SARM au cours de la transmission hospitalière et de la propagation intercontinentale. Science 327:469 —474.
4. 4 Isaac NJ, Turvey ST, Collen B, Waterman C, Baillie JE (2007) Mammifères en bordure : priorités de conservation basées sur la menace et la phylogénie. Numéro 1 (3) : e296. doi:10.1371/journal.pone.0000296

Lexique

structure analogue

un caractère trouvé dans deux taxons qui se ressemble en raison d'une évolution convergente, et non en raison de la descendance d'un ancêtre commun

clade

un groupe de taxons ayant le même ensemble de caractères dérivés communs, y compris une espèce ancestrale et tous ses descendants

cladistique

une méthode utilisée pour organiser les caractères homologues afin de décrire les phylogénies en utilisant la descendance commune comme principal critère utilisé pour classer les organismes

parcimonie maximale

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

systématique moléculaire

les méthodes d'utilisation des preuves moléculaires pour identifier les relations phylogénétiques

groupe monophylétique

(également des clades) organismes qui partagent un seul ancêtre

caractère ancestral partagé

caractère d'une branche phylogénétique qui est partagé par un clade particulier

caractère dérivé partagé

caractère d'un arbre phylogénétique qui n'est partagé que par un certain clade d'organismes

Contributeurs et attributions

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