Science

L'arbre du vivant

Les formes de vie peuplant notre planète ont une origine commune remontant à des milliards d'années et font partie du même « arbre du vivant ». Les branches de cet arbre représentant différents groupes d'organismes sont appelées taxons. Le processus de l'évolution – modifications subtiles accumulées de génération en génération – ainsi que les interactions complexes des organismes avec d'autres formes de vie et leur milieu ont mené à la diversification et l'expansion de la vie dont témoignent les myriades d'espèces que nous connaissons aujourd'hui.


Schéma synoptique des divisions du vivant

Les principales subdivisions du vivant.

Les premières traces de la vie sur la Terre remontent à quatre milliards d'années – soit
500 millions d'années à peine après sa formation. Les cellules ont évolué et se sont structurées en organismes pluricellulaires, mais il a fallu longtemps avant l'apparition des organismes de grande taille. Ainsi, pendant des milliards d'années, la vie est principalement restée le fait d'organismes microscopiques simples. En comparaison, l'apparition des animaux – métazoaires – tel qu'illustré par les fossiles des schistes de Burgess, constitue un phénomène récent.

Schéma montrant la chronologie de la vie sur la Terre

C'est sans doute au cours de l'Édiacarien (il y 635 à 542 millions d'années) que sont apparus les éponges et les animaux à symétrie radiée.

Les premiers restes fossiles de vrais animaux non ambigus, dotés de tissus et d'organes complexes – les bilatériens – se rencontrent dans des roches datant du Cambrien inférieur. Cela marque le commencement de l'explosion cambrienne, il y a quelque 542 millions d'années, au cours de laquelle la grande majorité des groupes d'animaux existant encore de nos jours sont apparus pour la première fois dans les archives fossiles. Ces fossiles forment la base de la reconstitution des premières ramifications de l'arbre de la vie animale, mais il est possible que beaucoup de groupes soient apparus antérieurement.

L'information génétique que recèlent les cellules des organismes modernes peut servir à établir la parenté entre divers groupes et à déterminer l'ordre dans lequel ils sont apparus. Les résultats de telles analyses se transposent en « arbres phylogénétiques » (analogues à nos arbres généalogiques, mais à plus vaste échelle). Dans le contexte de l'explosion cambrienne, les données génétiques ont joué un rôle critique dans la reconstitution des liens entre les branches maîtresses partant de la base de l'arbre de la vie animale.

Ces branches maîtresses correspondent aux plans d'organisation anatomiques fondamentaux. Si l'on prend les fossiles comme points de référence pour le calibrage, il est possible d'estimer à quelle période géologique sont apparus les divers plans d'organisation des animaux. Les données génétiques et les données fossiles s'accordent à placer l'apparition des premiers animaux pendant l'Édiacarien. Les organismes édiacariens les plus anciens étaient vraisemblablement des représentants primitifs de groupes très vastes (comme les bilatériens). Ce n'est que lors de l'explosion cambrienne qu'ils se sont diversifiés, pour former des groupes plus restreints (c.-à-d., certains embranchements).

L'arbre évolutif des animaux, dans le contexte de l'explosion cambrienne.

L'arbre évolutif des animaux, dans le contexte de l'explosion cambrienne. Les traits pointillés représentent l'étendue probable de groupes particuliers d'animaux. Les traits continus correspondent à des preuves fossiles. Les groupes (taxons) éteints sont représentés par une croix dans un cercle. Les cônes rendent compte de l'origine approximative et de la diversification des embranchements modernes (groupes couronnes). Les plans d'organisation de base de certains grands groupes d'animaux (embranchements actuels) étaient déjà présents à l'époque des schistes de Burgess. (D'après Xiao et Laflamme, Peterson et al. et Dunn et al.)

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Taxonomie et notion d'espèce

La science de la classification s'appelle la taxonomie. Un taxon est un groupe d'organismes classés ensemble parce qu'ils sont plus étroitement apparentés entre eux qu'à d'autres. Lorsqu'un tel taxon rassemble un ancêtre commun et la totalité de ses descendants, on parle de clade. Les clades servent à la reconstitution des parentés évolutives, dont les résultats forment un cladogramme ou arbre évolutif. Voici, présentés par ordre de globalisation décroissante, les niveaux taxonomiques au moyen desquels on classe les organismes :

  • Règne
  • Embranchement
  • Classe
  • Ordre
  • Famille
  • Genre
  • Espèce

L'espèce, niveau taxonomique le plus fondamental et exclusif, forme la base de la classification de tous les organismes actuels ou passés. Chez les animaux actuels, on considère généralement comme espèce un groupe d'individus étroitement apparentés qui peuvent se reproduire entre eux et engendrer une descendance féconde. Cependant, comme il n'est pas toujours possible de vérifier ce critère reproductif, on doit souvent se borner à définir une espèce par ses caractères morphologiques (forme et aspect d'un organisme), ce qui est généralement la seule option dans le cas des fossiles.

Les espèces semblables (partageant des caractères de par leur étroite parenté) peuvent être regroupées au sein d'un niveau taxonomique supérieur : le genre. L'Homme moderne, par exemple, constitue l'espèce Homo sapiens. Dans ce cas, le nom du genre est Homo et celui de l'espèce, sapiens. Homo habilis est une autre espèce d'Homme, au sein du genre Homo, aujourd'hui éteinte. Les noms du genre et de l'espèce s'écrivent toujours en italiques, celui du genre commençant par une majuscule et celui de l'espèce, par une minuscule. Ils sont souvent dérivés de mots latins ou grecs, mais peuvent également venir de patronymes ou de toponymes particuliers (explorez l'étymologie des fossiles des schistes de Burgess dans les sections sur la taxonomie de la Galerie des fossiles et découvrez les noms que Walcott leur a donnés).

Chacun des niveaux taxonomiques qui vont du genre jusqu'au règne englobe des ensembles de plus en plus vastes d'espèces. Plus on grimpe dans l'échelle taxonomique, plus deux organismes appartenant à deux groupes différents se distinguent. Ainsi, la drosophile (mouche du vinaigre) et l'Homme appartiennent tous deux au règne animal, car ils possèdent certains caractères fondamentaux communs à tous les animaux complexes (tel un tube digestif), mais leur parenté est trop lointaine pour qu'ils soient classés ensemble dans un groupe taxonomique de rang inférieur (l'Homme fait partie de l'embranchement des chordés et la drosophile, de celui des arthropodes).

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Procaryotes et eucaryotes

La vie cellulaire peut se subdiviser en deux grands groupes (appelés superdomaines) d'organismes, les procaryotes et les eucaryotes, qui se distinguent par leurs types de cellules.

Les procaryotes sont principalement représentés par de très petits organismes unicellulaires (bactéries et archées). Ils sont dépourvus de noyau et d'autres structures internes présents chez les eucaryotes.

Les eucaryotes rassemblent les protistes unicellulaires, ainsi que tous les animaux et plantes pluricellulaires. Ils sont composés de grandes cellules complexes, dotées d'un noyau et d'une série de structures internes.

L'origine et la parenté évolutive de ces deux superdomaines restent controversées. Selon l'hypothèse la plus courante, les eucaryotes se seraient formés à partir de l'interpénétration de certaines cellules procaryotes (symbiotes), produisant une structure cellulaire interne plus complexe (théorie endosymbiotique.)

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La pluricellularité

Après l'évolution de la structure interne des cellules, c'est sans doute la pluricellularité, c'est-à-dire la capacité de cellules différentes de coordonner leurs activités, qui constitue le perfectionnement évolutif le plus important. Il existe plusieurs degrés de pluricellularité, chez les procaryotes comme chez les eucaryotes, correspondant à toute une gamme de relations intercellulaires. Chez les procaryotes, la pluricellularité reste relativement simple (par exemple, les filaments des tapis microbiens se composent de chaînes de cellules, continuant à fonctionner individuellement). Les eucaryotes pluricellulaires (champignons, végétaux et animaux) présentent une intégration plus poussée et peuvent atteindre une plus grande taille. Au niveau le plus complexe de la pluricellularité, observé chez les
« vrais » animaux (eumétazoaires) et les plantes terrestres, les cellules se différencient pour former des tissus et des organes spécialisés.

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Métazoaires et bilatériens

Les métazoaires (animaux) sont des eucaryotes qui tirent leur énergie de l'ingestion d'autres organismes (hétérotrophes), plutôt que de réactions chimiques (chimiotrophes) ou de la lumière (phototrophes). La plupart des animaux, qui représentent la majorité de l'embranchement des métazoaires, sont des « bilatériens » : ils sont pluricellulaires, présentent une symétrie bilatérale (les deux moitiés étant grosso modo l'image miroir l'une de l'autre) et possèdent des cellules spécialisées formant des tissus et des organes, comme des muscles, des nerfs et un tube digestif. Les bilatériens sont considérés comme de
« vrais » animaux (eumétazoaires), dotés d'une partie antérieure et d'une partie postérieure et d'une face inférieure (ventrale) et d'une face supérieure (dorsale) – du moins à un stade de leur développement. Certains organismes à symétrie radiée (c'est-à-dire au corps composé d'éléments rayonnant à partir d'un point central), dont les cnidaires (méduses et coraux) et les cténophores, présentent une organisation plus simple et des organes peu développés. Les éponges, quant à elles, ne possèdent pas de vrais tissus ou organes.

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Plans d'organisation, disparité et diversité

Un plan d'organisation est un ensemble de caractères structuraux fondamentaux que partagent un grand nombre d'organismes apparentés. On n'observe qu'un nombre limité
de plans d'organisation chez les animaux actuels (de 30 à 40 selon les experts).
En revanche, le nombre d'espèces différentes qui peuplent actuellement notre planète est énorme – plusieurs millions d'après les estimations les plus modérées. (Ce nombre serait astronomique s'il fallait tenir compte de toutes les espèces qui ont disparu au cours des
3 500 millions d'années écoulées!)

On parle de disparité pour rendre compte des différences morphologiques entre les plans d'organisation, tandis que le terme diversité renvoie au nombre d'espèces distinctes. Les notions de disparité et de diversité peuvent s'expliquer facilement par l'analogie suivante : imaginez deux maisons, l'une construite en Europe et l'autre en Amérique du Nord. Les matériaux employés pour construire la charpente ne seront pas les mêmes sur les deux continents : béton en Europe et bois en Amérique du Nord. Tous deux apportent des solutions comparables aux exigences fonctionnelles (une charpente portante rigide), mais sont de provenances différentes et font appel à des techniques d'assemblage différentes. Ces deux modes de construction équivalent à deux plans d'organisation d'animaux dont la composition, l'origine anatomique et la disposition des éléments squelettiques se distinguent.

Pour poursuivre l'analogie, si l'on ajoute d'autres matériaux à la charpente des deux maisons (fils électriques, tuyauterie...), on constate davantage de différences plus spécifiques quant aux matériaux et aux méthodes ultilisés. On se retrouve donc avec deux maisons construites dans le même but, mais d'apparence et de composition assez différentes. Pourtant, au-delà de ces différences, elles présentent bien des choses en commun : chambres à coucher, cuisine, etc. Ce raisonnement s'applique aux espèces différentes qui affichent deux plans d'organisation dissemblables.

Chacune de ces maisons sera, néanmoins, comparable à d'autres se trouvant sur le même continent, en dépit de certaines différences de grandeur et de configuration des pièces.
Il en est de même des espèces relevant d'un même plan d'organisation. Des différences régionales, provinciales ou locales entre les maisons correspondraient à des niveaux taxonomiques inférieurs, comme la classe, l'ordre ou la famille. Le nombre total de maisons de types différents à chaque niveau représenterait la diversité des espèces. Les maisons des banlieues, parfaitement identiques (jusque dans leurs moindres détails), correspondraient à une seule espèce.

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Notions de groupe souche et de groupe couronne

La notion de groupe couronne a initialement été proposée pour distinguer les organismes existant encore actuellement des taxons éteints. Elle a été adoptée dernièrement pour l'étude et la classification de la faune des schistes de Burgess. Un groupe couronne rassemble le dernier ancêtre commun d'un groupe d'organismes existant encore actuellement (c'est-à-dire l'ancêtre le plus immédiat que se partagent au moins deux espèces) et toute sa descendance. Par définition, tous les membres des embranchements actuels (qui représentent les principaux groupes d'animaux) font partie de leurs groupes couronnes respectifs. Un groupe couronne peut également contenir des animaux éteints. Ainsi, le loup de Tasmanie, aujourd'hui éteint, continue à faire partie du groupe couronne de la classe des mammifères, au sein de l'embranchement des chordés.

Schéma montrant les rapports entre groupes couronnes et groupes souches

Schéma représentant des groupes couronnes et des groupes souches, avec des taxons éteints.

Un groupe souche rassemble des organismes éteints qui présentent certains des caractères morphologiques du groupe couronne qui en est le plus proche, mais pas tous. L'étude des animaux d'un groupe souche donne des indices sur l'époque à laquelle remonte l'acquisition de divers caractères et sur leur ordre d'apparition au sein de certaines lignées. Ainsi, bien qu'Opabinia, l'un des organismes des schistes de Burgess, possède certaines des caractéristiques d'un arthropode (par exemple, des pinces préhensiles articulées), il n'appartient pas au groupe couronne des arthropodes, parce qu'il ne descend pas du dernier ancêtre commun à tous les arthropodes modernes.

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