Phylogénétique

Qu'est-ce que la phylogénie ?

La phylogénie repose sur l'analyse comparée des caractéristiques morphologiques, anatomiques, moléculaires et comportementales des êtres vivants, ainsi que sur l'étude de leur distribution géographique et temporelle. Elle permet également de reconstruire l'histoire des changements environnementaux qui ont influencé l'évolution des espèces.

Qu'est-ce que la phylogénétique ?

Contrairement à la phylogénie, qui se focalise sur la reconstitution de l'histoire évolutive des êtres vivants, la phylogénétique vise à quantifier la distance génétique ou moléculaire entre les espèces et à déterminer les processus évolutifs qui ont conduit à leur diversité. En résumé, la phylogénétique est une extension de la phylogénie qui utilise des méthodes quantitatives pour étudier l'évolution des êtres vivants.

Évolution des espèces

La phylogénie est souvent illustrée à l'aide d'un diagramme de ramification appelé arbre phylogénétique. Les arbres phylogénétiques montrent comment les organismes ou les groupes à n'importe quel niveau hiérarchique sont liés les uns aux autres par des ancêtres communs.

Classification des êtres vivants

Les catégories hiérarchiques utilisées en taxonomie sont les suivantes (de la plus petite à la plus grande) :

• espèce ;

• genre ;

• famille ;

• ordre ;

• classe ;

• embranchement ;

• règne ;

• domaine.

Les taxonomistes regroupent les organismes qui partagent des traits et des caractéristiques similaires dans des catégories de plus en plus larges. Par exemple, le léopard (Panthera pardus), le jaguar (P. onca), le lion d'Afrique (P. leo) et le tigre (P. tigris) sont des espèces qui appartiennent au genre Panthera. Ce genre comprend tous les grands félins.

Outre ces catégories taxonomiques, la phylogénie peut également être illustrée par la cladistique, qui consiste à classer les organismes et les groupes sur la base de leurs ancêtres communs. Ils sont regroupés en clades qui se composent d'un ancêtre commun et de ses espèces descendantes.

Lire un arbre phylogénétique

Prenons la phylogénie des mammifères comme exemple de phylogénie animale.

Phylogénie des mammifères

L'histoire de l'évolution et les relations entre les mammifères sont illustrées par un arbre phylogénétique, comme le montre la figure 1.

Dans cet exemple, nous pouvons voir comment les mammifères (une classe qui a divergé des autres tétrapodes grâce à des caractéristiques anatomiques uniques, notamment des mâchoires spécifiques et des dents différenciées) ont divergé en Monotremata (un ordre de mammifères qui pondent des œufs) et en Theria (une sous-classe de mammifères qui donnent naissance à des petits vivants, et pas des œufs).

Les mammifères Thériens ont ensuite divergé en Marsupialia (une infraclasse ou un clade de mammifères qui utilisent des poches externes pour élever leur progéniture) et en Placentalia (une infraclasse ou un clade de mammifères qui possèdent un placenta, un organe temporaire qui relie l'embryon à l'utérus de la mère).

Fig. 1 - Cet arbre phylogénétique montre l'histoire de l'évolution et les relations entre les groupes de mammifères

Voici ce qu'il faut savoir pour lire un arbre phylogénétique :

• Les branches représentent les liens évolutifs entre les espèces. Les branches qui sont proches l'une de l'autre indiquent des espèces qui partagent des caractéristiques communes.

• Les nœuds représentent le point où les espèces partagent un ancêtre commun. Plus le nœud est proche de la base de l'arbre, plus l'ancêtre commun est ancien.

• Les taxons représentent les espèces, les genres, les familles ou les ordres. Les taxons sont généralement représentés à la fin des branches.

• Les longueurs des branches peuvent également avoir une signification. Parfois, elles représentent la quantité de changements évolutifs qui se sont produits entre les espèces.

• Les arbres phylogénétiques peuvent être orientés de différentes manières. Par exemple, ils peuvent être orientés de manière à ce que les taxons les plus anciens soient à la base de l'arbre, ou ils peuvent être orientés de manière à ce que les taxons les plus anciens soient à la cime de l'arbre.

Les phylogénies ne sont pas définitives : il s'agit d'hypothèses qui peuvent être révisées ou mises à jour en fonction des preuves disponibles. Elles sont également présentées de différentes manières. Par exemple, la figure 2 est un autre arbre phylogénétique des mammifères. Cette version montre la phylogénie des familles sous Mammalia. Elle présente également d'autres informations, telles que la répartition géographique de ces groupes de mammifères, indiquée par des points sur une carte.

Fig. 2 - Cet arbre phylogénétique montre également l'histoire de l'évolution et les relations entre les groupes de Mammalia, mais contrairement à la figure 1, il retrace les divergences de familles spécifiques

Classification phylogénétique

La classification phylogénétique est une méthode de classification des organismes vivants basée sur leurs relations évolutives et leur histoire commune. Cette approche utilise des informations génétiques, morphologiques et comportementales pour établir des arbres phylogénétiques, qui représentent les liens de parenté entre les différentes espèces.

Comment déterminer la phylogénie ?

Les phylogénies sont déduites sur la base de différentes sources de données, notamment les fossiles, l'homologie et la phylogénie moléculaire. Examinons brièvement chacun de ces éléments.

Fossiles

Les fossiles sont des vestiges ou des traces préservées d'organismes d'une époque géologique passée, souvent trouvés dans des roches sédimentaires. Les fossiles documentent l'histoire de la vie sur Terre en se basant principalement sur la séquence des fossiles dans les couches de roches sédimentaires appelées strates. La disposition des fossiles dans les strates nous donne une idée des organismes qui existaient à une époque géologique donnée.

Les scientifiques utilisent les fossiles pour construire la phylogénie des groupes éteints et des groupes existants. Par exemple, les fossiles montrent que les cétacés (un ordre de mammifères marins comprenant les baleines, les dauphins et les marsouins) ont évolué à partir de mammifères terrestres semblables aux hippopotames, aux porcs et aux vaches actuels. Les fossiles montrent que les os du bassin et des membres postérieurs des ancêtres disparus des cétacés sont devenus plus petits, pour finalement disparaître complètement et se transformer en nageoires.

Homologie

L'homologie est utile pour déterminer la relation évolutive entre différents organismes. Les organismes qui partagent le plus de traits et de caractéristiques tendent à être plus étroitement apparentés. Il existe trois types d'homologie :

1. l'homologie morphologique se produit lorsque différentes espèces ont des structures similaires avec la même forme de base en raison d'un ancêtre commun. Par exemple, les mammifères sont classés en monotrèmes, placentaires et marsupiaux en fonction de leur mode de reproduction ;

2. nous parlons d'homologie moléculaire lorsque différentes espèces ont des gènes ou des séquences d'ADN similaires hérités d'un ancêtre commun. Ce point sera développé dans la section suivante ;

3. nous parlons d'homologie développementale ou ontogénique lorsque différentes espèces présentent des structures similaires à différents stades de développement. Par exemple, tous les embryons de vertébrés (même les humains !) ont des fentes branchiales et des queues, mais celles-ci disparaissent à la naissance.

Pour déduire les phylogénies, les scientifiques font la distinction entre les caractères analogues et homologues. L'analogie signifie que les structures sont similaires, non pas en raison d'une ascendance commune, mais de pressions de sélection communes. Seules les caractéristiques homologues montrent les relations évolutives entre ces organismes.

Comment le séquençage génétique est-il utilisé en phylogénétique ?

Bien que de nombreuses phylogénies aient été construites à partir de données morphologiques et fossiles, les données moléculaires ont aidé les scientifiques à construire des arbres phylogénétiques plus précis. L'ADN et l'ARNr (ARN ribosomique) sont utiles pour étudier les relations évolutives des organismes, car tous les organismes vivants, des bactéries à l'homme, en sont dotés.

Les molécules d'ADN et d'ARNr sont constituées de quatre bases azotées qui s'apparient comme suit :

• l'adénine (A) s'apparie à la thymine (T) ;

• la cytosine (C) s'apparie toujours avec la guanine (G).

Le séquençage de l'ADN consiste à déterminer l'ordre de ces bases azotées. Les scientifiques utilisent le séquençage de l'ADN pour déterminer la relation évolutive des organismes en alignant des séquences comparables.

Si les séquences ne diffèrent que sur un ou quelques sites, les espèces sont probablement très proches. S'il y a des bases différentes de différentes longueurs sur de nombreux sites, les espèces sont probablement très éloignées les unes des autres.

Fig. 3 - Cet exemple montre comment deux courtes séquences d'ADN sont alignées. L'espace où il n'y a pas de lettres représente un écart de trois bases azotées

Les insertions et les suppressions modifient la séquence d'ADN. Une insertion ajoute une ou plusieurs paires de bases azotées, tandis qu'une suppression enlève une ou plusieurs paires de bases azotées. Ces insertions et ces suppressions s'accumulent au fil du temps, ce qui complique l'alignement des séquences.

Pour résoudre ce problème, les scientifiques ont mis au point des programmes informatiques et des outils statistiques afin de déterminer la meilleure façon d'aligner les séquences d'ADN et de déterminer si l'alignement des séquences d'ADN est dû à une homologie ou à une coïncidence

Les preuves moléculaires telles que l'ADN et l'ARNr peuvent également être utilisées pour la datation, tout comme les fossiles et les roches.

• L'ADN mitochondrial présente des taux de mutation élevés et peut donc être utilisé pour déterminer l'histoire de l'évolution d'espèces étroitement apparentées.

• L'ARN ribosomal présente des taux de mutation faibles, de sorte que sa séquence et sa structure peuvent être alignées plus facilement et avec plus de précision, même pour des espèces très proches.

Que signifie « l'ontogenèse récapitule la phylogenèse » ?

L'ontogenèse désigne le développement ou tout stade de développement d'un organisme. L'expression « l'ontogenèse récapitule la phylogenèse » résume la théorie de la récapitulation élaborée par Ernst Haeckel en 1866. La théorie de la récapitulation stipule que le développement des organismes individuels (ontogenèse) reproduit (récapitule) le développement évolutif de l'espèce à partir de ses espèces ancestrales (phylogenèse).

Bien que l'affirmation « l'ontogenèse récapitule la phylogenèse » ne soit pas tout à fait vraie, la théorie de la récapitulation nous apprend que les similitudes partagées par des organismes à différents stades de développement pourraient signifier qu'ils ont évolué à partir d'un ancêtre commun. C'est pourquoi tous les vertébrés, à un moment donné de leur développement, ont des fentes branchiales et une queue.