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Cours : Biologie en secondaire > Chapitre 8
Leçon 23: Évolution et phylogénieLes arbres phylogénétiques
Comment lire les arbres phylogénétiques et déterminer les espèces qui sont les plus apparentées.
Les points clés :
- Un arbre phylogénétique est un schéma qui représente les relations évolutives entre des organismes. Les arbres phylogénétiques sont des hypothèses, et non des faits définitifs.
- Le schéma de ramification dans un arbre phylogénétique reflète la façon dont les espèces ou d'autres groupes ont évolué à partir d'une série d'ancêtres communs.
- Dans un arbre phylogénétique, deux espèces ont un lien de parenté plus fort si elles ont un ancêtre commun plus récent, et moins fort si elles ont un ancêtre commun plus lointain.
- Les arbres phylogénétiques peuvent être dessinés selon différents styles similaires. Faire pivoter un arbre sur ses points d'embranchement ne change pas l'information qu'il contient.
Introduction
Les êtres humains aiment classer, organiser et ordonner les choses. Je ne parle pas du fait de ranger une armoire ou une pièce, mais plutôt de grouper ou d'ordonner ce qu'on observe dans le monde qui nous entoure. Si elle a commencé avec le philosophe grec Aristote, cette volonté de classification s'est ensuite étendue aux nombreuses et diverses choses vivantes sur Terre.
La plupart des systèmes modernes de classification sont basés sur les relations évolutives entre les organismes, c'est-à-dire sur la phylogénie des organismes. Les systèmes de classification basés sur la phylogénie organisent les espèces, ou d'autres groupes, de manière à refléter notre compréhension de leur évolution à partir de leurs ancêtres communs.
Dans cet article, nous allons jeter un œil aux arbres phylogénétiques, des schémas qui représentent les relations évolutives entre les organismes. Nous verrons exactement ce que nous pouvons (et ne pouvons pas !) déduire d'un arbre phylogénétique, ainsi que ce que cela signifie pour les organismes d'avoir un lien de parenté plus ou moins proche dans ce contexte de classification.
L'anatomie d'un arbre phylogénétique
Quand on dessine un arbre phylogénétique, nous dressons notre meilleure hypothèse sur la façon dont un ensemble d'espèces (ou d'autres groupes) a évolué à partir d'un ancêtre commun
Dans un arbre phylogénétique, les espèces ou groupes d'intérêt se trouvent aux extrémités des lignes appelées branches de l'arbre. Par exemple, l'arbre phylogénétique ci-dessous représente les relations entre cinq espèces, A, B, C, D et E, qui sont positionnées aux extrémités des branches :
Ce modèle dans lequel des branches se connectent représente notre compréhension de l'évolution de ces espèces à partir d'une série d'ancêtres communs. Chaque point d'embranchement (également appelé un nœud interne) représente un phénomène de divergence, ou la division d'un groupe en deux groupes descendants.
À chaque point d'embranchement se trouve l'ancêtre commun le plus récent de tous les groupes descendants de ce point. Par exemple, au point d'embranchement donnant naissance aux espèces A et B, nous trouvons l'ancêtre commun le plus récent de ces deux espèces. Au point d'embranchement juste au-dessus de la racine de l'arbre, nous trouvons l'ancêtre commun le plus récent de toutes les espèces de l'arbre (A, B, C, D, E).
Chaque ligne horizontale de notre arbre représente une série d'ancêtres menant jusqu'à l'espèce. Par exemple, la ligne menant à l'espèce E représente les ancêtres de cette espèce-là, à partir du moment où elle s'est différenciée des autres espèces de l'arbre. De même, la racine représente une série d'ancêtres menant à l'ancêtre commun le plus récent de toutes les espèces de l'arbre.
Quelles sont les espèces dont le lien de parenté est le plus proche ?
Dans un arbre phylogénétique, le lien de parenté de deux espèces a une signification très spécifique. Deux espèces ont un lien de parenté plus proche si elles ont un ancêtre commun plus récent et moins proche si elles ont un ancêtre commun moins récent.
Nous pouvons utiliser une méthode assez simple pour trouver l'ancêtre commun le plus récent de n'importe quelle paire ou groupe d'espèces. Cette méthode consiste à partir de la fin de chaque branche portant les deux espèces d'intérêt et de « remonter » dans l'arbre jusqu'à ce que nous trouvions le point où les lignes des espèces convergent.
Par exemple, supposons que nous voulons savoir si c'est A et B ou B et C qui ont des liens de parenté plus proches. Pour ce faire, nous suivons les lignes de chaque paire d'espèces en remontant dans l'arbre. Puisque c'est A et B qui convergent en premier et que B converge uniquement avec l'espèce C après son point de jonction avec A nous pouvons dire que A et B ont un ancêtre commun plus proche et qu'ils ont un lien de parenté plus étroit.
Fait important, pour certaines espèces on ne peut pas comparer le lien de parenté en utilisant cette méthode. Par exemple, nous ne pouvons pas dire si A et B sont plus proches que C et D. C'est parce que, par défaut, l'axe horizontal de l'arbre ne représente pas le temps de manière directe. Ainsi, nous ne pouvons que comparer la temporalité des événements d'embranchement qui se produisent sur la même ligne (même ligne directe à partir de la racine de l'arbre), et non pas ce qui se produit sur des lignes différentes.
Quelques conseils pour lire les arbres phylogénétiques
Les arbres phylogénétiques peuvent être représentés sous différents formats. Certains sont plus longs que larges, comme l'arbre de gauche ci-dessous. D'autres utilisent des lignes diagonales, comme l'arbre à droite ci-dessous. On trouve aussi des arbres verticaux ou inversés.
Les trois arbres ci-dessus représentent des relations identiques entre les espèces A, B, C, D et E. Peut-être vous faudra-t-il un petit moment pour vous convaincre que c’est vraiment le cas, et comprendre que la structure de ramification des ancêtres communs n'est pas différente d'un arbre à l'autre. L'information identique dans ces arbres, d'apparences différentes, nous rappelle que c'est le modèle de ramification (et non pas la longueur des branches) qui est important dans un arbre.
Un autre point essentiel à propos de ces arbres est que si vous tournez les structures, en utilisant un des points d'embranchement comme point pivot, vous ne changez pas les relations. Donc, tout comme les deux arbres ci-dessus, qui montrent les mêmes relations même si elles ont des formes différentes, les arbres ci-dessous montrent les mêmes relations entre les espèces W, X, Y et Z :
Si cela ne vous semble pas vrai dans un premier temps (comme cela m'est arrivé, au premier abord !), concentrez-vous sur les relations et les points d'embranchement plutôt que sur l'ordre donné aux espèces (W, X, Y et Z) en haut des schémas. Cet ordre ne nous donne en fait pas d'informations utiles. C'est plutôt la structure des embranchements de chaque schéma qui nous indique ce dont nous avons besoin pour comprendre l'arbre.
Jusqu'à présent, tous les arbres que nous avons regardés avaient de beaux motifs de ramification propres, avec seulement deux lignées (lignes des descendants) émergeant de chaque point d'embranchement. Cependant, vous pouvez voir des arbres avec une polytomie (poly, plein ; tomie, coupure), c'est-à-dire un point d'embranchement avec au moins trois espèces différentes qui en sortent
Si on découvre dans un second temps davantage d'informations sur l'espère, on sera alors en mesure de résoudre la polytomie grâce à ces nouvelles informations.
D'où viennent ces arbres ?
Pour créer un arbre phylogénétique, les scientifiques comparent et analysent de nombreuses caractéristiques de l'espèce ou d'autres groupes concernés. Ces caractéristiques peuvent comprendre la morphologie externe (forme/apparence), l'anatomie interne, les comportements, les voies biochimiques, les séquences ADN et protéines et même les caractéristiques fossiles.
Pour construire des arbres précis, les biologistes utilisent souvent de nombreuses caractéristiques différentes (ce qui réduit les chances que des données imparfaites conduisent à un mauvais arbre). Pourtant, les arbres phylogénétiques restent des hypothèses et non des réponses définitives. Ils ne peuvent pas être plus précis que les données disponibles à partir desquelles ils sont construits. Les arbres sont revus et mis à jour au fil du temps, à mesure que de nouvelles données sont disponibles et peuvent être ajoutées à l'analyse. C'est particulièrement vrai aujourd'hui, car le séquençage de l'ADN augmente notre capacité à comparer les gènes entre les espèces.
Dans le prochain article sur la construction d'un arbre, nous verrons des exemples concrets de la façon dont les différents types de données sont utilisés pour organiser les espèces en arbres phylogénétiques.
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