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Cours : Biologie en secondaire > Chapitre 5
Leçon 16: L'évolution et la sélection naturelle- Introduction sur l'évolution et la sélection naturelle
- Sélection naturelle et Caligo (Owl-Butterfly)
- Variations au sein d'une espèce
- Révisions sur l'évolution et la sélection naturelle
- L' évolution et la sélection naturelle
- Les preuves de l'évolution
- Les espèces
- Darwin, l'évolution & la sélection naturelle
Les preuves de l'évolution
Preuves de l’évolution : anatomie, biologie moléculaire, biogéographie, fossiles & observation directe.
Les points clés :
- Les preuves de l'évolution sont issues de divers domaines de la biologie :
- L'anatomie. Les espèces peuvent partager des traits physiques similaires parce qu'un de ces traits était présent chez un ancêtre commun (structures homologues).
- La biologie moléculaire. L'ADN et le code génétique renvoient aux ancêtres partagés par le vivant. Les comparaisons d'ADN montrent à quel point les espèces sont liées.
- La biogéographie. La distribution mondiale des organismes et les caractéristiques uniques des espèces insulaires reflètent l'évolution et les changements géologiques.
- Les fossiles. Les fossiles sont la preuve de l'existence d'espèces, aujourd'hui disparues, apparentées aux espèces actuelles.
- L'observation directe. On peut suivre directement l'évolution, à petite échelle, des organismes dotés d'un court cycle de vie (par exemple, les insectes qui résistent aux pesticides).
Introduction
L'évolution est un principe universel essentiel en biologie. D'ailleurs, Théodore Dobjansky a dit un jour : "Rien en biologie n'a de sens si ce n'est à la lumière de l'évolution
Mais quelles sont exactement les caractéristiques biologiques qui s'expliquent par le processus d'évolution ? En d'autres termes, quels sont les signes ou les traces qui indiquent que l'évolution a eu lieu dans le passé et se produit encore aujourd'hui ?
L'évolution a lieu à grande et à petite échelle
Avant d'en examiner les preuves, vérifions ce qu'on entend par évolution. Dans les grandes lignes, l'évolution implique un changement de la composition génétique (et souvent des caractéristiques héréditaires) d'une population au fil du temps. Les biologistes définissent parfois deux types d'évolution selon l'échelle :
- La macroévolution, qui se réfère aux modifications à grande échelle qui s'établissent sur des périodes prolongées, telles que la formation d'espèces et de groupes nouveaux.
- La microévolution, qui se réfère aux changements à petite échelle n'affectant qu'un seul ou quelques gènes et qui ont lieu au sein des populations sur des périodes plus courtes.
La microévolution et la macroévolution ne sont pas vraiment deux processus distincts. Il s'agit du même processus d'évolution qui se déroule sur des échelles temporelles différentes. Les processus de microévolution, qui se produisent sur des milliers ou des millions d'années, peuvent s'ajouter à des changements à grande échelle qui définissent de nouvelles espèces ou de nouveaux groupes.
Les preuves de l'évolution
Dans cet article, on va examiner les preuves d'évolution à la fois à l'échelle macro et micro.
Tout d'abord, on va étudier plusieurs types de preuves (y compris des caractéristiques physiques et moléculaires, des informations géographiques, et des fossiles) qui étayent et permettent de reconstituer des événements macroévolutifs.
À la fin de l'article, on verra comment la microévolution peut être observée directement, comme pour l'émergence d'insectes résistants aux pesticides.
Anatomie et embryologie
Darwin imagine l'évolution comme une "descendance avec modification", un processus au cours duquel les espèces changent et donnent naissance à de nouvelles espèces au fil des générations. Il propose que l'histoire évolutive du vivant forme un arbre ramifié avec de multiples niveaux, où toutes les espèces partagent un ancien ancêtre commun.
Dans ce modèle d'arbre, plus les groupes d'espèces sont apparentés, plus ils présentent des ancêtres communs récents, et chaque groupe aura tendance à partager des traits portés par son dernier ancêtre commun. On peut se servir de ce concept pour "remonter le temps" et ainsi déterminer le degré de parenté entre les organismes en fonction des caractéristiques qu'ils partagent.
Les caractères homologues
Si deux espèces (ou plus) partagent une caractéristique physique unique, telle qu'une structure osseuse complexe ou un plan d'organisation corporelle, elles ont probablement toutes hérité ce trait d'un ancêtre commun. Ces caractéristiques physiques partagées du fait d'une histoire évolutive commune (un ancêtre commun) sont dites homologues.
Pour donner un exemple classique, les membres antérieurs des baleines, des humains, des oiseaux et des chiens semblent assez distincts au premier abord. C'est parce qu'ils sont adaptés pour fonctionner dans des environnements différents. Cependant, si on examine la structure osseuse des membres antérieurs, on remarque une organisation des os très similaire entre ces espèces. Il est peu probable que de telles structures aient évolué de manière indépendante au sein de chaque espèce, et plus plausible que la disposition de base des os existait déjà chez un ancêtre commun aux baleines, aux humains, aux chiens et aux oiseaux.
Certaines structures homologues ne peuvent être observées qu'au stade embryonnaire. Par exemple, tous les embryons de vertébrés (y compris des humains) présentent des ouïes et une queue au stade précoce de leur développement. Le plan développemental de ces espèces diverge ensuite, ce qui explique pourquoi votre queue embryonnaire s'est transformée en coccyx, et vos ouïes en mâchoire et en oreille interne
Parfois, les êtres vivants présentent des structures qui sont homologues à des parties importantes du corps d'autres organismes, mais qui ont perdu leur fonction ancestrale principale. Ces structures, souvent de taille réduite, sont connues sous le nom de structures vestigiales. On peut citer comme exemples le coccyx des humains (une queue vestigiale), les os des pattes postérieures des baleines, et les jambes sous-développées que l'on trouve chez certains serpents (voir photo à droite)
Les caractères analogues
Pour pimenter un peu les choses, toutes les caractéristiques physiques qui se ressemblent ne découlent pas d'un ancêtre commun. En fait, certaines similitudes physiques sont dites analogues : elles ont évolué de manière indépendante au sein de différents organismes, mais ces derniers vivaient dans des environnements similaires ou ont subi des pressions de sélection équivalentes. Ce processus s'appelle l'évolution convergente. (Converger signifie se rejoindre, à l'image de deux lignes qui se rencontrent en un point.)
Par exemple, deux espèces éloignées qui vivent en Arctique, le renard polaire et le lagopède alpin (un oiseau), changent toutes deux de couleur en fonction des saisons, passant d'un blanc foncé à neigeux. Ce trait partagé n'est pas le reflet d'un ancêtre commun : il est peu probable que le dernier ancêtre commun du renard polaire et du lagopède alpin ait subi une variation saisonnière de sa couleur
Déterminer les relations à partir de traits similaires
En général, les biologistes ne déterminent pas le degré de parenté entre espèces en se basant sur n'importe quel caractère homologue. Ils étudient plutôt un large panel de traits (comprenant souvent des caractéristiques physiques et des séquences ADN) et tirent des conclusions sur les liens de parenté en fonction de cet ensemble de traits. On explorera davantage cette idée lors de l'étude des arbres phylogénétiques.
Biologie moléculaire
À l'instar des homologies de structure, les similitudes entre des molécules biologiques peuvent indiquer une histoire évolutive commune. Foncièrement, tous les organismes vivants partagent :
- Le même matériel génétique (ADN)
- Des codes génétiques identiques ou très similaires
- Les processus fondamentaux de l'expression génique (transcription et traduction)
- Les mêmes éléments moléculaires de base, comme les acides aminés
Ces traits partagés suggèrent que tous les êtres vivants descendent d'un ancêtre commun, dont l'ADN était le matériel génétique et qui utilisait le code génétique et exprimait ses gènes par transcription et traduction. Les organismes actuels partagent tous ces caractères, car ces derniers sont "hérités" de cet ancêtre (et parce que toute modification importante de cette machinerie de base aurait nui au bon fonctionnement des cellules).
Ces traits, comme le fait de posséder de l'ADN ou de réaliser des processus de transcription et de traduction, sont essentiels pour établir les origines communes de la vie. En revanche, ils ne permettent pas de déterminer à quel point des organismes donnés sont apparentés. Si on veut identifier les organismes les plus étroitement liés au sein d'un groupe, il faut utiliser différents types de caractéristiques moléculaires, tels que les séquences nucléotidiques des gènes.
Gènes homologues
Les biologistes comparent souvent les séquences de gènes apparentés qui existent chez différentes espèces (souvent appelés gènes homologues ou orthologues) pour déterminer comment ces espèces sont reliées entre elles d'un point de vue évolutif.
Cette approche repose sur l'idée que deux espèces possèdent le "même" gène parce qu'elles l'ont hérité d'un ancêtre commun. Par exemple, les humains, les vaches, les poulets et les chimpanzés portent tous un gène qui code l'insuline, une hormone, car ce gène était déjà présent chez leur dernier ancêtre commun.
En général, plus des gènes homologues entre deux espèces présentent des différences au niveau de leur ADN (ou des acides aminés des protéines qu'ils codent), moins les espèces sont apparentées. Par exemple, les protéines d'insuline de l'homme et du chimpanzé sont très similaires (identiques à environ 98 %) en comparaison à celles de l'homme et du poulet (identiques à environ 64 %). Les humains sont donc plus proches des chimpanzés que des poulets
Biogéographie
La distribution géographique des organismes sur Terre suit des modèles qui s'expliquent mieux par l'évolution, en association avec le mouvement des plaques tectoniques à l'échelle du temps géologique.
Par exemple, les grands groupes d'organismes qui avaient déjà évolué avant la dislocation du supercontinent nommé Pangée (il y a environ 200 millions d'années) sont généralement présents dans le monde entier. En revanche, les grands groupes qui ont évolué après cet événement ont tendance à se trouver uniquement dans des régions plus restreintes de la Terre. Ainsi, il existe des groupes uniques de plantes et d'animaux sur les continents nord et sud dont l'origine remonte à la division de la Pangée en deux supercontinents (Laurasia au nord, Gondwana au sud).
L'évolution d'espèces uniques sur les îles illustre aussi la manière dont l'évolution et la géographie s'entrecroisent. Par exemple, la plupart des espèces de mammifères d'Australie sont marsupiales (portent leurs petits dans une poche), alors que la majorité des espèces de mammifères terrestres sont placentaires (nourrissent leur progéniture par le biais du placenta). Les espèces marsupiales australiennes sont très diverses et remplissent un large éventail de rôles écologiques. L'Australie ayant été isolée par les eaux pendant des millions d'années, ces espèces ont pu évoluer sans compétition (ou échange) avec les espèces de mammifères du reste du monde.
Les marsupiaux d'Australie, les pinsons de Darwin aux Galapagos, ainsi que de nombreuses espèces des îles hawaïennes sont uniques du fait de leur environnement insulaire. Néanmoins, elles présentent des liens de parenté éloignés avec des espèces ancestrales continentales. Cette combinaison de caractéristiques reflète les processus par lesquels les espèces insulaires évoluent. Elles descendent souvent d'ancêtres situés sur le continent — par exemple, quand un continent se fragmente ou que quelques individus sont déviés de leur route par une tempête — et divergent (acquièrent de plus en plus de différences) à mesure qu'elles s’adaptent à l'environnement insulaire qui les isole.
Le registre fossile
Les fossiles sont les restes ou traces préservés d'organismes ayant vécu dans un passé lointain. Hélas, le registre fossile n'est pas complet ou continu : la plupart des organismes ne sont jamais fossilisés, et les organismes fossilisés sont rarement découverts. Néanmoins, les fossiles recueillis par l'homme offrent un aperçu unique de l’évolution sur de longues périodes.
Comment peut-on déterminer l'âge des fossiles ? Tout d'abord, les fossiles se situent souvent dans des roches constituées de couches ou strates. Les strates indiquent une sorte de chronologie ; les couches supérieures étant plus récentes et les couches inférieures, plus anciennes. Les fossiles trouvés dans diverses strates sur le même site peuvent être organisés en fonction de leur position, et les strates de "référence" dotées de caractéristiques uniques peuvent être utilisées pour comparer l'âge des fossiles de différents lieux. De plus, les scientifiques peuvent dater approximativement les fossiles grâce à la datation radiométrique, un processus qui mesure la décroissance radioactive de certains éléments.
Les fossiles indiquent l'existence d'espèces aujourd'hui éteintes, en montrant que divers organismes ont vécu sur Terre à différentes périodes de l'histoire planétaire. Ils peuvent également aider les scientifiques à reconstruire l'histoire évolutive des espèces actuelles. Par exemple, certains des fossiles les plus étudiés appartiennent à la famille du cheval. À partir de ces vestiges, les scientifiques ont pu reconstituer le grand "arbre généalogique" des chevaux et de leurs cousins disparus
Observation directe d'une microévolution
Dans certains cas, on peut directement observer les preuves de l’évolution ! C'est le cas de l'émergence de bactéries résistantes aux médicaments et d'insectes résistants aux pesticides.
Par exemple, dans les années 1950, un effort mondial veut éradiquer le paludisme en ciblant ses porteurs (certains types de moustiques). Le pesticide DDT est donc largement pulvérisé dans les zones où vivent ces moustiques. Au début, le DDT fonctionne très bien pour tuer ces insectes. Cependant, avec le temps, le DDT devient de moins en moins efficace et de plus en plus de moustiques survivent, car cette population d'insectes développe une résistance au pesticide.
L'émergence de la résistance au DDT est un exemple d'évolution par sélection naturelle
- Avant l'utilisation du DDT, une infime fraction de la population de moustiques présente naturellement des versions (ou allèles) de gènes qui la rendent résistante au DDT. Ces versions seraient apparues par mutations aléatoires, ou variations de la séquence ADN. Sans l'emploi massif du DDT, les allèles résistants n'auraient pas aidé les moustiques à survivre ou à se reproduire et auraient même pu s'avérer nocifs. Ils seraient donc demeurés rares.
- Lorsque la pulvérisation du DDT commence, la plupart des moustiques sont tués par le pesticide. Quels moustiques survivent ? En règle générale, seuls les rares individus dotés des allèles de résistance au DDT survivent au contact de l'insecticide. Ces moustiques survivants ont ensuite pu se reproduire et engendrer une descendance.
- Au fil des générations, de plus en plus de moustiques résistants au DDT sont nés au sein de la population, car les parents résistants ont systématiquement été plus susceptibles de survivre et de se reproduire que les parents non résistants et ont transmis leurs allèles de résistance au DDT (et donc la capacité à survivre au DDT) à leur progéniture. Finalement, les populations de moustiques ont à nouveau augmenté, mais sont majoritairement composées d'individus résistants au DDT.
Dans les régions du monde où le DDT a été largement utilisé par le passé, beaucoup de moustiques sont maintenant résistants. Le DDT ne peut plus servir à contrôler les populations de moustiques (et à réduire le paludisme) dans ces zones.
Pourquoi les populations de moustiques sont-elles capables d'évoluer rapidement vers une résistance au DDT ? Les deux principaux facteurs sont la taille importante de la population (qui augmente la probabilité que certains membres présentent, au hasard, des mutations leur conférant une résistance) et un cycle de vie court. Les bactéries et les virus, qui ont une population encore plus grande et un cycle de vie plus court, peuvent développer très rapidement une résistance aux médicaments, comme c'est le cas des bactéries résistantes aux antibiotiques et de la résistance du VIH aux médicaments.
À retenir
Plusieurs types de preuves appuient la théorie de l'évolution :
- Les structures homologues constituent la preuve d'une origine commune, tandis que les structures analogues indiquent que des pressions de sélection équivalentes peuvent induire des adaptations (caractéristiques bénéfiques) similaires.
- Les similitudes et les différences au sein des molécules biologiques (par exemple, dans la séquence ADN des gènes) peuvent servir à déterminer les liens de parenté entre espèces.
- Les modèles biogéographiques fournissent des indices sur les liens de parenté entre espèces.
- Le registre fossile, bien qu'incomplet, apporte des informations sur les espèces qui existaient à des périodes spécifiques de l’histoire de la Terre.
- Certaines populations, comme celles des microbes et de certains insectes, évoluent sur des périodes relativement courtes et peuvent être observées directement.
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