À propos de cette page
Ce cours de spécialité svt en première sur « Diversification du vivant et relations de parenté » suit le programme officiel de spécialité svt de première. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : La diversité du vivant : un constat et une histoire, Les relations de parenté : le principe de la cladistique, Caractères ancestraux et dérivés, Construction et lecture d'un arbre phylogénétique. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de première à réussir en spécialité svt.
Au programme
1 · La diversité du vivant : un constat et une histoire
2 · Les relations de parenté : le principe de la cladistique
3 · Caractères ancestraux et dérivés
4 · Construction et lecture d'un arbre phylogénétique
5 · Groupes monophylétiques, paraphylétiques et polyphylétiques
6 · Convergence évolutive : homologie vs analogie
7 · Mécanismes de diversification du vivant
8 · Exemples de phylogénies : vertébrés et plantes à fleurs
1La diversité du vivant : un constat et une histoire
La Terre abrite une biodiversité colossale : on estime à environ 8,7 millions d'espèces eucaryotes actuelles, dont seulement 1,5 million ont été décrites. Pourtant, les espèces actuelles ne représentent qu'une infime fraction de celles qui ont existé : plus de 99 % des espèces ayant jamais vécu sont aujourd'hui éteintes.
Cette diversité n'est pas le fruit du hasard mais le résultat de l'évolution biologique : les êtres vivants descendent avec modifications d'ancêtres communs. Reconstituer cette histoire partagée est l'objet de la phylogénèse (ou phylogénie).
Phylogénèse. Science qui étudie les relations de parenté évolutive entre les êtres vivants et cherche à reconstituer leur histoire commune (arbre du vivant).
Les paléontologues découvrent régulièrement des fossiles qui témoignent d'espèces disparues et permettent de dater les grandes étapes de l'évolution. La biologie moléculaire (comparaison des séquences d'ADN ou de protéines) apporte des données complémentaires pour établir les parentés.
Exemple. L'analyse des séquences de cytochrome c (protéine de la chaîne respiratoire) montre que le cheval et l'âne diffèrent par 1 seul acide aminé sur 104, tandis que le cheval et la levure en diffèrent par 45 : cette proximité moléculaire reflète une parenté évolutive plus récente.
2Les relations de parenté : le principe de la cladistique
La cladistique (ou systématique phylogénétique) est la méthode scientifique utilisée pour établir les relations de parenté entre espèces. Elle repose sur l'identification de caractères dérivés partagés.
Clade (groupe monophylétique). Ensemble constitué d'un ancêtre commun et de tous ses descendants. C'est la seule unité valide en systématique phylogénétique.
Le principe fondateur : deux espèces sont d'autant plus proches qu'elles partagent un plus grand nombre de caractères dérivés communs, hérités d'un ancêtre commun exclusif.
Astuce. En cladistique, on ne cherche pas à trouver qui ressemble le plus à qui visuellement, mais quels caractères sont apparus chez un ancêtre et ont été transmis à ses descendants. Un lézard ressemble plus à un crocodile qu'à un oiseau, pourtant les oiseaux sont plus proches des crocodiles (groupe des Archosaures).
Schéma : du caractère dérivé au clade
3Caractères ancestraux et dérivés
En cladistique, on distingue deux types de caractères :
| Type de caractère | Définition | Rôle en cladistique |
|---|
| Ancestral (plésiomorphie) | Caractère présent chez l'ancêtre et conservé dans plusieurs groupes descendants | Ne permet pas de définir un clade particulier (trop répandu) |
| Dérivé partagé (synapomorphie) | Caractère nouveau, apparu chez un ancêtre commun et partagé par tous ses descendants | Définit un clade : c'est le critère de regroupement |
| Dérivé propre (autapomorphie) | Caractère dérivé propre à une seule espèce ou lignée | Distingue l'espèce mais ne regroupe pas |
Exemple. La colonne vertébrale est une synapomorphie des Vertébrés : elle est apparue chez un ancêtre commun et a été héritée par tous les vertébrés. En revanche, la présence de pattes est une synapomorphie des Tétrapodes mais pas des Vertébrés (les poissons sont des vertébrés sans pattes).
Attention ! Un caractère ancestral (ex. présence d'un squelette) ne peut pas définir un clade plus étroit : il faut utiliser les caractères dérivés propres à ce clade.
La méthode pratique consiste à dresser un tableau de comparaison des caractères (matrice taxon × caractère), en notant pour chaque espèce la présence (1) ou l'absence (0) de chaque caractère dérivé.
4Construction et lecture d'un arbre phylogénétique
Un arbre phylogénétique (ou cladogramme) représente graphiquement les relations de parenté déduites de la cladistique.
Cladogramme. Arbre où chaque nœud (nœud interne) représente un ancêtre hypothétique commun à tous les groupes qui en dérivent. Les feuilles (extrémités) représentent les taxons étudiés.
Comment lire un cladogramme :
- Les nœuds représentent des ancêtres communs hypothétiques.
- Les branches symbolisent des lignées évolutives.
- Les caractères dérivés s'inscrivent sur les branches à l'endroit où ils sont apparus.
- Deux taxons sont d'autant plus proches qu'ils partagent un nœud commun plus récent.
Exemple de tableau de comparaison pour construire un arbre :
| Espèce | Vertèbres | Mâchoires | Membres tétrapodes | Amnios | Plumes |
|---|
| Lamproie | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Requin | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| Grenouille | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| Lézard | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| Oiseau | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Cladogramme : emboîtement des clades par acquisition successive de synapomorphies
Astuce. L'ordre des branches sur le papier n'a pas d'importance : ce qui compte c'est la position des nœuds, pas la disposition gauche/droite des feuilles. Deux représentations d'un même arbre peuvent sembler différentes sans l'être réellement.
5Groupes monophylétiques, paraphylétiques et polyphylétiques
La validité d'un groupe taxonomique dépend de sa composition par rapport à l'arbre phylogénétique :
| Type de groupe | Composition | Valide en cladistique ? | Exemple |
|---|
| Monophylétique (clade) | Ancêtre commun + TOUS ses descendants | Oui | Mammifères, Oiseaux, Tétrapodes |
| Paraphylétique | Ancêtre commun + CERTAINS descendants (un groupe exclu) | Non (groupe artificiel) | Reptiles (excluant les oiseaux), Poissons |
| Polyphylétique | Individus issus de plusieurs ancêtres non partagés | Non (groupe artificiel) | Animaux à sang chaud (Oiseaux + Mammifères) |
Attention ! Le groupe traditionnel des « Reptiles » est paraphylétique : il inclut lézards, serpents, crocodiles, tortues mais exclut les oiseaux. Or les oiseaux descendent des dinosaures, qui sont des reptiles — les oiseaux sont des reptiles au sens phylogénétique ! La classification actuelle reconnaît les Sauropsides (groupe monophylétique = reptiles + oiseaux).
Exemple. Les « Poissons » constituent un groupe paraphylétique car les tétrapodes (grenouilles, reptiles, mammifères…) descendent de poissons à nageoires lobées. En incluant tous les descendants des premiers « poissons », on obtient tous les Vertébrés.
6Convergence évolutive : homologie vs analogie
L'évolution peut aboutir à des ressemblances trompeuses entre espèces sans lien de parenté proche : c'est la convergence évolutive.
Organes homologues. Organes qui partagent la même origine embryologique et évolutive, même si leur fonction peut différer. Leur similarité témoigne d'une parenté. Ex. : bras de l'Homme, nageoire antérieure de la baleine, aile de la chauve-souris — tous sont des membres antérieurs de Tétrapodes avec la même structure osseuse (humérus, radius, cubitus, os du carpe…).
Organes analogues. Organes qui remplissent la même fonction mais n'ont pas la même origine. Leur ressemblance est le fruit d'une convergence évolutive (adaptation à un même milieu ou mode de vie). Ex. : aile de l'Oiseau (membre antérieur transformé) vs aile de l'Insecte (excroissance du tégument) — même fonction de vol, origines totalement différentes.
Exemples de convergences évolutives :
- Forme fusiforme du requin (Poisson) et du dauphin (Mammifère) : adaptation à la nage rapide.
- Œil du poulpe (Mollusque) et œil du vertébré : très similaires en structure, mais apparus indépendamment.
- Cactus (Amérique) et euphorbes (Afrique) : plantes succulentes épineuses sans lien proche.
Attention ! La convergence évolutive peut induire en erreur si l'on se base uniquement sur l'apparence. La cladistique résout ce problème en distinguant les vrais caractères dérivés partagés (hérités) des analogies (acquises indépendamment).
Carte mentale : distinction homologie / analogie
7Mécanismes de diversification du vivant
La diversification du vivant résulte de plusieurs mécanismes évolutifs agissant sur les populations :
1. Spéciation : processus par lequel une population se divise en deux ou plusieurs populations qui cessent de se reproduire entre elles, formant des espèces distinctes. La spéciation allopatrique se produit lors d'une séparation géographique des populations.
2. Sélection naturelle : les individus porteurs de caractères augmentant leur aptitude reproductive laissent davantage de descendants. Au fil des générations, la fréquence de ces caractères augmente dans la population. C'est le principal moteur de l'adaptation.
3. Dérive génétique : variation aléatoire des fréquences alléliques dans les petites populations, indépendamment de la valeur sélective. Elle peut fixer des allèles par hasard (effet fondateur, goulot d'étranglement).
4. Mutations : source primaire de la variabilité génétique. Les mutations sont aléatoires et la plupart sont neutres ou délétères ; certaines sont avantageuses.
5. Transferts horizontaux de gènes : chez les procaryotes notamment, des gènes peuvent être transférés entre organismes sans reproduction sexuée.
Exemple : radiation adaptative. Les pinsons des Galápagos (Géospizes) illustrent une radiation adaptative : à partir d'un ancêtre commun, différentes espèces se sont différenciées selon les ressources alimentaires disponibles sur chaque île (graines, insectes, nectar…). Darwin observa ce phénomène lors de son voyage sur le Beagle (1835).
8Exemples de phylogénies : vertébrés et plantes à fleurs
La phylogénèse des Vertébrés est aujourd'hui bien établie grâce aux données morphologiques, paléontologiques et moléculaires :
- Les Actinoptérygiens (poissons à nageoires rayonnées) forment un groupe frère des Sarcoptérygiens.
- Les Sarcoptérygiens (cœlacanthes, dipneustes, tétrapodes) partagent des nageoires lobées charnues — ancêtres des membres tétrapodes.
- Les Amniotes = reptiles + oiseaux + mammifères. L'amnios est une membrane protégeant l'embryon, synapomorphie de ce groupe.
- Les Mammifères forment un clade avec : poils, glandes mammaires, endothermie… comme synapomorphies.
Pour les Angiospermes (plantes à fleurs) :
- Les Monocotylédones (graminées, orchidées, liliacées) : 1 cotylédon, feuilles à nervures parallèles.
- Les Eudicotylédones (rosacées, légumineuses, composées) : 2 cotylédons, feuilles à nervures réticulées.
Frise chronologique : grandes étapes de la diversification des Vertébrés (en millions d'années)
Astuce méthode. Pour un exercice de construction d'arbre phylogénétique au bac : (1) lister les caractères dérivés dans l'ordre d'apparition supposé ; (2) vérifier la cohérence (un caractère doit être présent chez tous les membres d'un clade et absent chez ses groupes frères) ; (3) dessiner le cladogramme en emboîtant les clades du plus large au plus étroit.
★À retenir
En bref :
• La cladistique établit les relations de parenté à partir des caractères dérivés partagés (synapomorphies).
• Un clade (groupe monophylétique) = ancêtre commun + TOUS ses descendants : c'est la seule unité valide.
• Un cladogramme représente les parentés ; chaque nœud = ancêtre commun hypothétique.
• Homologie = même origine (témoigne d'une parenté) ≠ analogie = même fonction mais origines différentes (convergence évolutive).
• La diversification résulte de la sélection naturelle, des mutations, de la dérive génétique et de la spéciation.
• Les groupes paraphylétiques (ex. Reptiles classiques) et polyphylétiques ne sont pas retenus en classification phylogénétique.