1.2 : Une approche systématique

Last updated
Save as PDF

Page ID: 187643

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

Objectifs d'apprentissage

Décrire comment les microorganismes sont classés et distingués en tant qu'espèces uniques
Comparer les systèmes de taxonomie historiques et actuels utilisés pour classer les microorganismes

Une fois que les microbes sont devenus visibles pour les humains à l'aide de microscopes, les scientifiques ont commencé à prendre conscience de leur énorme diversité. Les microorganismes varient de toutes sortes de façons, y compris leur taille, leur apparence et leur taux de reproduction. Pour étudier cette nouvelle gamme incroyablement diversifiée d'organismes, les chercheurs avaient besoin d'un moyen de les organiser de manière systématique.

La science de la taxonomie

La taxonomie est la classification, la description, l'identification et la dénomination des organismes vivants. La classification est la pratique qui consiste à organiser les organismes en différents groupes en fonction de leurs caractéristiques communes. Le plus célèbre des premiers taxonomistes était un botaniste, zoologiste et médecin suédois nommé Carolus Linnaeus (1701—1778). En 1735, Linné a publié Systema Naturae, une brochure de 11 pages dans laquelle il proposait la taxonomie linnéenne, un système de catégorisation et de dénomination des organismes utilisant un format standard afin que les scientifiques puissent discuter des organismes en utilisant une terminologie cohérente. Il a continué à réviser et à compléter le livre, qui s'est développé en plusieurs volumes (Figure\(\PageIndex{1}\)).

Une peinture de Carolus Linnaeus tenant une fleur. — Figure\(\PageIndex{1}\) : Le botaniste, zoologiste et médecin suédois Carolus Linnaeus a développé un nouveau système de catégorisation des plantes et des animaux. Dans ce portrait de 1853 réalisé par Hendrik Hollander, Linné tient une fleur jumelle, nommée *Linnaea borealis* en son honneur.

Dans sa taxonomie, Linné a divisé le monde naturel en trois royaumes : animal, végétal et minéral (le règne minéral a ensuite été abandonné). Au sein des règnes animal et végétal, il a regroupé les organismes en utilisant une hiérarchie de niveaux et de sous-niveaux de plus en plus spécifiques en fonction de leurs similitudes. Les noms des niveaux de la taxonomie originale de Linné étaient royaume, classe, ordre, famille, genre (pluriel : genres) et espèce. L'espèce était et continue d'être l'unité taxonomique la plus spécifique et la plus fondamentale.

Arbres de vie en évolution (phylogénies)

Grâce aux progrès de la technologie, d'autres scientifiques ont progressivement perfectionné le système linnéen et ont fini par créer de nouveaux systèmes de classification des organismes. Dans les années 1800, on s'est intéressé de plus en plus à l'élaboration de taxonomies qui tiennent compte des relations évolutives, ou phylogénies, de toutes les espèces d'organismes de la planète. Une façon de décrire ces relations est d'utiliser un diagramme appelé arbre phylogénétique (ou arbre de vie). Dans ces diagrammes, les groupes d'organismes sont organisés selon leur degré de parenté. Dans les premiers arbres phylogénétiques, la parenté des organismes était déduite de leurs similitudes visibles, telles que la présence ou l'absence de poils ou le nombre de membres. Maintenant, l'analyse est plus compliquée. Aujourd'hui, les analyses phylogéniques incluent des comparaisons génétiques, biochimiques et embryologiques, comme nous le verrons plus loin dans ce chapitre.

L'arbre de vie de Linné ne contenait que deux branches principales pour tous les êtres vivants : les règnes animal et végétal. En 1866, Ernst Haeckel, biologiste, philosophe et médecin allemand, a proposé un autre royaume, Protista, pour les organismes unicellulaires (Figure\(\PageIndex{2}\)). Il a ensuite proposé un quatrième règne, Monera, pour les organismes unicellulaires dont les cellules sont dépourvues de noyaux, comme les bactéries.

Dessin d'un arbre. La base de l'arbre indique : Radix Monera. Elle se divise en trois branches appelées Plantae, Protista et Animalia. Chacune de ces branches se ramifie plus loin ; chaque nouvelle branche est étiquetée en petit texte et des groupes de branches sont identifiés. Par exemple, les groupes de branches du protiste comprennent : la diatomase, les flagellés, les protoplastes et les éponges. — Figure\(\PageIndex{2}\) : La représentation de l'arbre de vie d'Ernst Haeckel, tirée de son livre de 1866 *General Morphology of Organisms*, contenait trois royaumes : Plantae, Protista et Animalia. Il a ensuite ajouté un quatrième royaume, Monera, pour les organismes unicellulaires dépourvus de noyau.

Près de 100 ans plus tard, en 1969, l'écologiste américain Robert Whittaker (1920-1980) a proposé d'ajouter un autre royaume, Fungi, à son arbre de vie. L'arbre de Whittaker contenait également un niveau de catégorisation supérieur au niveau du royaume (niveau de l'empire ou du superroyaume) afin de distinguer les organismes dont les cellules possèdent des noyaux liés à la membrane (eucaryotes) de ceux qui n'en ont pas (procaryotes). L'Empire Prokaryota ne contenait que le Royaume Monera. L'Empire Eucaryote contenait les quatre autres royaumes : Fungi, Protista, Plantae et Animalia. L'arbre des cinq royaumes de Whittaker a été considéré comme la phylogénie standard pendant de nombreuses années.

La figure\(\PageIndex{3}\) montre comment l'arbre de vie a évolué au fil du temps. Notez qu'aucun virus n'est présent dans aucun de ces arbres. En effet, ils ne sont pas constitués de cellules et il est donc difficile de déterminer leur place dans un arbre de vie.

Cette chronologie commence avec Carolus Linnaeus qui a développé une nouvelle façon de classer les plantes et les animaux en 1758. L'image au-dessus de Linné montre une ligne bifurquée avec une branche étiquetée plante et l'autre animal étiqueté. En 1866, Ernst Haeckel a écrit la Morphologie générale des organismes, proposant quatre royaumes. L'image au-dessus de Haeckel montre une ligne centrale avec Monera en bas, des protistes se ramifiant ensuite, puis des plantes et enfin des animaux. En 1969, Robert Whittaker a proposé d'ajouter un cinquième règne, les champignons, à l'arbre de vie. L'image ci-dessus de Whittaker est la même que celle au-dessus de Haeckel mais inclut une branche supplémentaire marquée par un champignon entre les plantes et les animaux. — Figure\(\PageIndex{3}\) : Cette chronologie montre comment la forme de l'arbre de vie a évolué au fil des siècles. Aujourd'hui encore, la taxonomie des organismes vivants est continuellement réévaluée et affinée grâce aux avancées technologiques.

Exercice\(\PageIndex{1}\)

Résumez brièvement comment l'évolution de notre compréhension des microorganismes a contribué à modifier la façon dont les organismes sont classés.

Orientation clinique : partie 2

Les antibiotiques sont spécifiquement conçus pour tuer ou inhiber la croissance des bactéries. Mais après quelques jours de traitement antibiotique, Cora ne montre aucun signe d'amélioration. De plus, ses cultures de LCR sont revenues négatives du laboratoire. Étant donné que les bactéries ou les champignons n'ont pas été isolés de l'échantillon de LCR de Cora, son médecin exclut la possibilité d'une méningite bactérienne et fongique. La méningite virale est toujours possible.

Cependant, Cora signale maintenant de nouveaux symptômes inquiétants. Elle commence à avoir de la difficulté à marcher. Sa raideur musculaire s'est étendue de son cou au reste de son corps, et ses membres se contractent parfois involontairement. De plus, les symptômes cognitifs de Cora s'aggravent. À ce stade, le médecin de Cora devient très inquiet et demande d'autres tests sur les échantillons de LCR.

Exercice\(\PageIndex{2}\)

Quels types de microorganismes peuvent être à l'origine des symptômes de Cora ?

Le rôle de la génétique dans la taxonomie moderne

Les arbres de Haeckel et de Whittaker ont présenté des hypothèses sur la phylogénie de différents organismes sur la base de caractéristiques facilement observables. Mais l'avènement de la génétique moléculaire à la fin du 20e siècle a révélé d'autres manières d'organiser les arbres phylogénétiques. Les méthodes génétiques offrent un moyen standardisé de comparer tous les organismes vivants sans s'appuyer sur des caractéristiques observables qui peuvent souvent être subjectives. La taxonomie moderne repose largement sur la comparaison des acides nucléiques (acide désoxyribonucléique [ADN] ou acide ribonucléique [ARN]) ou des protéines provenant de différents organismes. Plus les acides nucléiques et les protéines sont similaires entre deux organismes, plus ils sont considérés comme étant étroitement liés.

Dans les années 1970, le microbiologiste américain Carl Woese a découvert ce qui semblait être un « témoignage vivant » de l'évolution des organismes. Lui et son collaborateur George Fox ont créé un arbre de vie basé sur la génétique en se basant sur les similitudes et les différences qu'ils ont observées dans les petites sous-unités d'ARN ribosomal (ARNr) de différents organismes. Ce faisant, ils ont découvert qu'un certain type de bactérie, appelées archébactéries (aujourd'hui appelées simplement archées), était significativement différent des autres bactéries et eucaryotes en ce qui concerne la séquence des petites sous-unités d'ARNr. Pour tenir compte de cette différence, ils ont créé un arbre avec trois domaines au-dessus du niveau du Royaume : Archées, Bactéries et Eucarya (Figure\(\PageIndex{4}\)). L'analyse génétique de la petite sous-unité de l'ARNr suggère que les archées, les bactéries et les eucaryotes ont tous évolué à partir d'un type de cellule ancestrale commun. L'arbre est incliné pour montrer une relation évolutive plus étroite entre les Archées et les Eucaryas qu'ils ne l'ont fait avec les bactéries.

L'arbre phylogénétique de la vie. Un dessin de lignes d'embranchement. La ligne centrale en bas se divise en deux branches principales. Sur la branche gauche se trouve le groupe bactérien. La branche de droite se subdivise en groupes Archaea et Eucarya. Les branches supplémentaires du groupe des Eucaryas, de bas en haut, sont les suivantes : Diplomonades, Microsporidies, Trichomonas, Flagellés, Entamoebae, Smile Molds, Ciliés, Plantes, Champignons et Animaux (dont l'étoile est intitulée « Vous êtes ici »). Les branches du groupe des Archées, de bas en haut, sont les suivantes : Pyrodicticu, Thermoproteus, T. celer, Methanococcus, Methanobacterium, Methanosarcina et Halophiles. Les branches du groupe des bactéries, de bas en haut, sont les suivantes : Aquifex, Thermotoga, bactéries filamenteuses vertes, Bacteroides Cytophaga, Gram positifs, Planctomyces, cyanobactéries, protéobactéries et spirochères. — Figure\(\PageIndex{4}\) : Les scientifiques continuent d'utiliser l'analyse de l'ARN, de l'ADN et des protéines pour déterminer les liens entre les organismes. Une découverte intéressante et complexe est celle du transfert horizontal de gènes, lorsqu'un gène d'une espèce est absorbé par le génome d'un autre organisme. Le transfert horizontal de gènes est particulièrement fréquent chez les microorganismes et peut rendre difficile la détermination de la relation entre les organismes sur le plan de l'évolution. Par conséquent, certains scientifiques pensent désormais en termes de « réseaux de vie » plutôt que d' « arbres de vie ».

Exercice\(\PageIndex{3}\)

Dans la taxonomie moderne, comment les scientifiques déterminent-ils dans quelle mesure deux organismes sont étroitement liés ?
Expliquez pourquoi les branches de « l'arbre de vie » proviennent toutes d'un seul « tronc ».

Nommer les microbes

Pour développer sa taxonomie, Linné a utilisé un système de nomenclature binomiale, un système de dénomination à deux mots pour identifier les organismes par genre et par espèce. Par exemple, les humains modernes appartiennent au genre Homo et portent le nom d'espèce sapiens, de sorte que leur nom scientifique dans la nomenclature binomiale est Homo sapiens. Dans la nomenclature binomiale, la partie genre du nom est toujours en majuscule ; elle est suivie du nom de l'espèce, qui n'est pas en majuscule. Les deux noms sont en italique.

Les noms taxonomiques des XVIIIe et XXe siècles étaient généralement dérivés du latin, car c'était le langage courant utilisé par les scientifiques lors de la création des systèmes taxonomiques. Aujourd'hui, les organismes récemment découverts peuvent porter des noms dérivés du latin, du grec ou de l'anglais. Parfois, ces noms reflètent un trait distinctif de l'organisme ; dans d'autres cas, les microorganismes portent le nom des scientifiques qui les ont découverts. L'archéon Haloquadratum walsbyi est un exemple de ces deux systèmes de dénomination. Le genre Haloquadratum décrit l'habitat en eau salée du microorganisme (halo est dérivé du mot grec signifiant « sel ») ainsi que la disposition de ses cellules carrées, qui sont disposées en groupes carrés de quatre cellules (quadratum signifie « quatre carrés » en latin). L'espèce, walsbyi, doit son nom à Anthony Edward Walsby, le microbiologiste qui a découvert Haloquadratum walsbyi en 1980. Bien qu'il puisse sembler plus facile de donner à un organisme un nom descriptif commun, comme un pic à tête rouge, nous pouvons imaginer comment cela pourrait devenir problématique. Que se passe-t-il lorsqu'une autre espèce de pic à tête rouge est découverte ? La nomenclature systématique utilisée par les scientifiques élimine ce problème potentiel en attribuant à chaque organisme un nom unique en deux mots reconnu par les scientifiques du monde entier.

Dans ce texte, nous abrégerons généralement le genre et l'espèce d'un organisme après sa première mention. La forme abrégée est simplement la première initiale du genre, suivie d'un point et du nom complet de l'espèce. Par exemple, la bactérie Escherichia coli est abrégée en E. coli dans sa forme abrégée. Vous trouverez cette même convention dans d'autres textes scientifiques.

Manuels de Bergey

Que ce soit dans un arbre ou sur une toile, les microbes peuvent être difficiles à identifier et à classer. Sans caractéristiques macroscopiques facilement observables telles que les plumes, les pieds ou la fourrure, les scientifiques doivent capturer, développer et concevoir des moyens d'étudier leurs propriétés biochimiques afin de différencier et de classer les microbes. Malgré ces obstacles, un groupe de microbiologistes a créé et mis à jour un ensemble de manuels pour identifier et classer les microorganismes. Publié pour la première fois en 1923 et mis à jour à de nombreuses reprises depuis, le Manuel de bactériologie déterminative de Bergey et le Manuel de bactériologie systématique de Bergey sont les références standard pour identifier et classer différents procaryotes. (L'annexe D de ce manuel est partiellement basée sur les manuels de Bergey ; elle montre comment les organismes qui apparaissent dans ce manuel sont classés.) Étant donné que de nombreuses bactéries semblent identiques, des méthodes basées sur des caractéristiques non visuelles doivent être utilisées pour les identifier. Par exemple, des tests biochimiques peuvent être utilisés pour identifier des produits chimiques propres à certaines espèces. De même, des tests sérologiques peuvent être utilisés pour identifier des anticorps spécifiques qui réagiront contre les protéines présentes chez certaines espèces. En fin de compte, le séquençage de l'ADN et de l'ARNr peut être utilisé à la fois pour identifier une espèce bactérienne particulière et pour classer les espèces récemment découvertes.

Exercice\(\PageIndex{4}\)

Qu'est-ce que la nomenclature binomiale et pourquoi est-ce un outil utile pour nommer les organismes ?
Expliquez pourquoi une ressource comme l'un des manuels de Bergey serait utile pour identifier un microorganisme dans un échantillon.

Même nom, variété différente

Au sein d'une même espèce de microorganisme, il peut y avoir plusieurs sous-types appelés souches. Bien que différentes souches puissent être presque identiques sur le plan génétique, elles peuvent avoir des attributs très différents. La bactérie Escherichia coli est célèbre pour ses intoxications alimentaires et la diarrhée des voyageurs. Cependant, il existe en fait de nombreuses souches différentes d'E. coli, et leur capacité à provoquer des maladies varie.

L'E. coli O157:H7 est une souche pathogène (causant des maladies) dont vous avez peut-être entendu parler. Chez l'homme, l'infection par E. coli O157:H7 peut provoquer des crampes abdominales et de la diarrhée. L'infection provient généralement d'eau ou d'aliments contaminés, en particulier de légumes crus et de viande insuffisamment cuite. Dans les années 1990, il y a eu plusieurs grandes épidémies d'E. coli O157:H7 dont on pense qu'elles provenaient de hamburgers insuffisamment cuits.

Bien que E. coli O157:H7 et certaines autres souches aient donné une mauvaise réputation à E. coli, la plupart des souches d'E. coli ne provoquent pas de maladie. En fait, certaines peuvent être utiles. Différentes souches d'E. coli présentes naturellement dans nos intestins nous aident à digérer nos aliments, à nous fournir certains produits chimiques nécessaires et à lutter contre les microbes pathogènes.

Résumé

Carolus Linnaeus a développé un système taxonomique pour classer les organismes en groupes apparentés.
La nomenclature binomiale attribue aux organismes des noms scientifiques latinisés avec une désignation de genre et d'espèce.
Un arbre phylogénétique est un moyen de montrer comment différents organismes sont supposés être liés les uns aux autres d'un point de vue évolutif.
Le premier arbre phylogénétique contenait des règnes pour les plantes et les animaux ; Ernst Haeckel a proposé d'ajouter un royaume pour les protistes.
L'arbre de Robert Whittaker contenait cinq royaumes : Animalia, Plantae, Protista, Fungi et Monera.
Carl Woese a utilisé de petites sous-unités d'ARN ribosomal pour créer un arbre phylogénétique qui regroupe les organismes en trois domaines en fonction de leur similitude génétique.
Les manuels de bactériologie déterminative et systémique de Bergey sont les références standard pour l'identification et la classification des bactéries, respectivement.
Les bactéries peuvent être identifiées par des tests biochimiques, des analyses d'ADN/ARN et des méthodes de tests sérologiques.

Lexique

nomenclature binomiale: une convention universelle pour la dénomination scientifique des organismes utilisant des noms latinisés pour les genres et les espèces

eucaryote: organisme composé d'une ou de plusieurs cellules contenant un noyau et des organites liés à la membrane

phylogénie: l'histoire évolutive d'un groupe d'organismes

procaryote: organisme dont la structure cellulaire ne comprend pas de noyau lié à la membrane

taxinomie: la classification, la description, l'identification et la dénomination des organismes vivants