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Méthodes de reconstitution des parentés
TS : cours semaine 5

Les méthodes phénétiques et cladistiques ; pourquoi et comment en est-on arrivé là ?

Article mis en ligne le 3 octobre 2011
dernière modification le 2 octobre 2011

par Jean-Louis
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Le transformisme

Cette théorie affirme « Les espèces proviennent les uns des autres par transformations. »

Corollaires :

-  a) les êtres vivants sont apparentés. (tous apparentés)
-  b) il faut trouver des explications pour la spéciation (division en deux branches)
-  c) cette hypothèse ne dit rien sur le caractère continu ou brusque des changements.(équilibres ponctués ; grands phylums)
-  d) cette hypothèse ne dit rien sur les causes de ces changements. (darwinisme ou lamarkisme) -e) elle ne dit rien sur « l’utilité de ces changements » (théorie neutraliste)
- e) elle s’oppose aux hypothèses fixistes et créationnistes.

Théories concurrentes

Il s’agit également de réfuter les théories alternatives.

Le fixisme

Toutes les espèces sont apparues en même temps ou successivement, indépendamment mais ensuite n’évoluent plus. Cette version a été défendue par le grand biologiste français Cuvier. Elle pose l e problème de l’adaptation (les animaux sont adaptés signifie quelque chose d’assez différent de les animaux s’adaptent)

Le créationnisme (religieux )

C’est une version du fixisme, fort développé aux USA (c’est la théorie de Georges Bush). Les animaux n’évoluent pas et sont adaptés parce que la Nature, la Providence, Dieu en a décidé ainsi. Aujourd’hui cette théorie s’appelle souvent « dessein intelligent ». 

Arguments : (vus en seconde et première)

- Le plan d’organisation des cellules est le même chez tous les êtres vivants
- Idem pour les plans d’organisation des mammifères (et des insectes, etc.) Également vrai pour les larves, les embryons, les organes internes.
- Noyau (sauf les procaryotes = bactéries)
- Organites (ribosomes, mitochondries, Golgi…)
- Le matériel génétique est de l’ADN chez tous les êtres vivants. Il n’y a aucune exception. Il existe des virus à ARN
- Le code génétique est unique (ou presque) Les variants sont peu différents et partagés par tout un groupe d’animaux qui se ressemblent par ailleurs.

La preuve la plus forte de la validité du transformisme :

S’il y a vraiment du tranformisme, on devrait avoir une convergence des arbres construits. C’est-à-dire que deux arbres construits à partir d’éléments différents devraient donner le même résultat. Par exemple des données osseuses, des données sur la physiologie et des données génétiques, ou encore des données embryonnaires.
(En fait, nous verrons qu’il y a quelques endroits où ce principe a été parfois plus ou moins mis en défaut.)

Les deux méthodes utilisées.

La classification systématique du 18e et 19e siècles ignorent l’idée d’évolution, même si le transformisme est en train de s’affirmer. Selon cette classification, les poissons sont des poissons parce qu’ils se ressemblent : ils ont des écailles, des branchies, etc.
La classification traditionnelle classe les espèces selon la présence ou l’absence de très nombreux caractères (osseux, anatomiques, physiologiques, éthologiques, embryologiques, etc) que l’on considère comme plus ou moins important d’une façon qui peut sembler arbitraire.

La méthode phénétique

La phénétique repose sur le postulat de base que le degré de ressemblance est corrélé au degré de parenté. Elle suppose donc de quantifier la ressemblance entre les êtres vivants à classer.
Établir des « distances » (problème 1)

Œufs
tyrannosaure oui non oui  ? oui
triceratops oui non oui  ? oui
mésange oui oui oui oui non
autruche oui oui oui oui non
alligator oui non oui non oui
lézard commun oui non oui non oui
tortue oui non oui non non
grenouille oui non non non oui

problème = comment calculer des distances ?

Si on ajoute d’autres critères, l’ordre des distances varie ⇒ le plus grand nombre possible.

Bec Brechet et furcula Gésier Amnios Membrane nictitante Os cranien « intertemporal » Fosses temporales Fenêtre mandibulaire anteorbitaire
tyrannosaure non non  ?  ?  ? non 2 oui oui
triceratops oui non  ?  ?  ? non 2 oui oui
mésange oui oui oui oui oui non 2 oui oui
autruche oui oui oui oui oui non 2 oui oui
alligator non non oui oui oui non 2 oui oui
lézard commun non non non oui non non 0 non non
tortue oui non non oui non non 0 non oui
grenouille non non non non non oui 0 non oui

Dans la ou les méthodes phénétiques, il y a plusieurs algorithmes mathématiques pour calculer l’arbre (en particulier upgma et neighbour joining) ;

On compte le nombre de différences entre les espèces. Vous voyez que selon les espèces choisies, certains critères sont tout à fait inutiles.
La phénétique devient pertinente dès lors que l’on compare un très grand nombre (au sens statistique) de caractères car le nombre de caractères analogues devient négligeable parmi tous les caractères dont la ressemblance est effectivement due à la parenté. Ainsi cette technique est très puissante lorsqu’on l’applique au niveau moléculaire.

La méthode cladistique

Origine : Critique la méthode phénétique qui met tout sur le même plan.
Principes : La méthode cladistique repose sur quelques principes : seuls les caractères nouveaux et partagés, hérités de l’ancêtre commun qui les a acquis, doivent être pris en compte pour l’établissement des relations de parenté, les caractères primitifs, bien que partagés, n’apportent aucune information. Nommés également synapomorphies.

En s’appuyant sur le développement embryonnaire, les observations statistiques dans les groupes plus éloignés (comparaisons extra-groupe) et les données paléontologiques, notamment la connaissance des lignées évolutives, on peut analyser les caractères évoqués précédemment. On utilise un élément extérieur, qui donne une information sur les caractères ancestraux, primitifs,

Les caractères : Trois cas de figures peuvent se présenter :

- Les caractères partagés ; dans un phylum, tous les représentants possèdent ce caractère (exemple chez les mammifères : la colonne vertébrale ; quatre membres ; des mamelles) ; ce sont des symplesiomorphies (ce mot nécessite toujours un complément = le groupe de référence).
- Caractères dérivés et ancestraux ; chez l’ancêtre le caractère possède un état A ; une mutation le fait passer à l’état A’, caractère dérivé. Par exemple la patte antérieure devient une aile chez les oiseaux. Ça c’est du bon. C’est une synapomorphie (versus plesiomorphie)
L’aile des oiseaux est un caractère homologue si on étudie les vertébrés ; c’est un caractère que l’on trouve chez tous les oiseaux parce qu’ils ont la même origine. (=donc homologie = caractère dérivé)
- Caractères analogues ; ce sont des caractères qui se ressemblent « par hasard », le plus souvent parce qu’ils correspondent à une même nécessité ; exemple de l’aile de chauve-souris, des ptérodactyles, des oiseaux. En particulier, il y a de fortes convergences entre marsupiaux et euthériens. Il y a aussi des analogies par « perte » : par exemple les serpents sont des tétrapodes. = homoplasies (= convergences + réversions)

La cladistique repose donc sur l’identification (souvent difficile) de l’homologie des caractères. L’analogie est mise en évidence par application du principe de parcimonie : si la prise en compte d’un état d’un caractère amène à construire un arbre moins parcimonieux que celui que l’on a obtenu en prenant en compte l’ensemble des autres caractères

Principe de parcimonie  : On essaie de minimiser le nombre de transformations nécessaires. principe de parcimonie : parmi les cladogrammes possibles (figures traduisant les relations de parenté, établies par application de la méthode cladistique), le cladogramme retenu sera le plus parcimonieux, c’est à dire celui qui supposera le moins de transformations évolutives ;

Les groupes  : On est donc conduit à reconsidérer les groupes issus de la classification traditionnelle : trois cas de figure :
groupe monophylétique, car incluant un ancêtre et tous ses descendants ; Ce sont les seuls valides.
groupe paraphylétique, car n’incluant pas tous les descendants du même ancêtre, effectivement les oiseaux sont exclus de la définition des reptiles, mais partagent avec eux le même ancêtre commun
groupe polyphylétique : fusion artificielle de deux groupes : exemple = les homéothermes.

Seuls les groupes monophylétiques sont valides ; donc les oiseaux sont des dinosaures ; les poissons et les reptiles n’existent pas.
Application :

Problème pratique : le nombre d’arbres

- Avec 5 espèces, il y a 105 arbres possibles
- Avec 8 espèces, il y a 135000 arbres possibles.
- Avec 10 espèces, il y a 34000000 arbres possibles.

On attends vite un nombre qui empêche le calcul exhaustif.

d’après Nouvelles heuristiques de voisinage et mémétiques pour le problème Maximum de Parcimonie ; Thèse de doctorat ; 21 novembre 2006 ; Par Adrien GOEFFON

Sachant que la réponse admise aujourd’hui est :
(((((Tyrex (Triceratops (Mésange Autruche))) Alligator) Lézard) Tortue) grenouille)
Vérifier sur les données précédentes que les transitions plesiomorphie → apomorphie sont correctes.
Problème avec bec ;

Attention : ce sont des cladogrammes.
Un nœud n’est pas une espèce. Si on met une nouvelle espèce, ça crée une nouvelle branche.
Ce ne sont pas des arbres généalogiques mais des relations de parenté : la distance à mon grand père = 2 ; la distance à mon frère = 2
Dans la cladistique classique, le temps n’est pas représenté (sauf qu’un nœud plu loin = antérieur.)

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