Lire un arbre de parenté à partir de caractères partagés

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Lire un arbre de parenté à partir de caractères partagés

Un arbre de parenté représente des relations entre des espèces actuelles ou fossiles. Il ne montre pas quelle espèce actuelle descend d'une autre : il montre quelles espèces partagent un ancêtre commun et à quel point cet ancêtre est récent.

Concepts et vocabulaire

• Caractère homologue : caractère hérité d'un même ancêtre, même si sa forme ou sa fonction a changé. Le membre antérieur du lézard, l'aile de la poule et le bras humain sont homologues : ils ont la même organisation de base (un os, puis deux os, puis des petits os et des doigts).
• État ancestral et état dérivé : un état ancestral existait déjà chez des ancêtres lointains. Un état dérivé est une nouveauté apparue chez un ancêtre, puis transmise à ses descendants. Les plumes sont un état dérivé.
• Ancêtre commun : population ancestrale dont descendent plusieurs espèces. Sur l'arbre, il se place à un nœud, point où une branche se divise.
• Groupe emboîté (clade) : ensemble formé par un ancêtre et tous ses descendants. Les groupes s'emboîtent comme des poupées russes.

Principe de lecture et de construction

Deux espèces sont d'autant plus apparentées qu'elles ont un ancêtre commun récent. La trace de cet ancêtre est un caractère dérivé partagé : une nouveauté apparue une seule fois chez lui, que tous ses descendants possèdent (sauf perte secondaire).

Pour construire un arbre, on dresse un tableau de présence (1) ou d'absence (0) de caractères. On repère les caractères et les groupes d'espèces qu'ils définissent, puis on emboîte ces groupes du plus grand au plus petit. Deux remarques évitent des erreurs : un caractère présent chez toutes les espèces étudiées ne les départage pas, et un caractère présent chez une seule espèce ne renseigne pas sur ses relations avec les autres.

Pour lire un arbre, on remonte depuis deux espèces jusqu'au premier nœud qu'elles ont en commun. Plus ce nœud est proche des deux espèces, plus leur parenté est étroite. L'ordre des espèces en bout de branche n'a aucune signification : on peut faire pivoter les branches autour d'un nœud sans changer l'arbre.

Exemple analysé

Les vertèbres sont communes aux quatre espèces : elles définissent le groupe de départ et ne séparent rien. Les quatre membres sont partagés par la salamandre, le lézard et la souris : ce groupe est emboîté dans le précédent, la truite reste à l'extérieur. L'amnios est partagé par le lézard et la souris seulement : groupe encore plus restreint. Les poils et mamelles n'appartiennent qu'à la souris et ne créent aucun nouveau groupe.

On obtient l'arbre (truite, (salamandre, (lézard, souris))). Conclusion : le lézard et la souris ont un ancêtre commun plus récent que celui qu'ils partagent avec la salamandre. Pourtant, le lézard ressemble davantage à la salamandre par son allure. Cette ressemblance vient de caractères ancestraux (quatre membres écartés) hérités d'ancêtres plus lointains, qui ne prouvent pas une parenté plus étroite.

Le piège : confondre ressemblance et parenté

Deux espèces peuvent se ressembler sans être proches. Le requin et le dauphin ont un corps fuselé et une nageoire dorsale, mais ces ressemblances sont liées à un mode de vie semblable : elles sont apparues indépendamment, c'est ce qu'on appelle une convergence. Un caractère apparu séparément dans deux lignées n'est pas hérité d'un ancêtre commun exclusif et ne prouve donc pas leur parenté. Le dauphin partage en réalité avec la souris des mamelles et l'amnios.

Deux autres lectures sont fausses : l'arbre n'est pas une échelle allant d'espèces « primitives » à des espèces « évoluées », car toutes les espèces actuelles sont au bout de branches et ont la même durée d'évolution depuis l'ancêtre commun de départ. Un arbre est enfin une hypothèse, la mieux soutenue par les données disponibles : de nouvelles données peuvent la modifier.

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Situation-problème

Un muséum prépare un panneau intitulé « Qui est le cousin de qui ? » pour cinq vertébrés : la truite, la salamandre, le lézard, la poule et la souris. Deux élèves proposent un arbre différent pour le trio lézard, poule, souris. Inès regroupe la poule et la souris, car ce sont deux animaux dont la température corporelle reste constante. Malik regroupe le lézard et la poule. Vous devez départager les deux propositions à l'aide de deux documents, en précisant ce que les données permettent réellement de conclure et ce qu'elles ne permettent pas.

Document 1 : caractères des cinq espèces (Données pédagogiques simplifiées)

1 = caractère présent, 0 = caractère absent.

Compte rendu d'observation : le squelette de la truite porte des nageoires soutenues par de fins rayons, sans os en forme de bras ou de jambe. Chez la salamandre, le lézard, la poule et la souris, le membre antérieur comprend un os, puis deux os, puis de petits os et des doigts, dans la même disposition. Chez la poule, ces os sont allongés, en partie soudés, et portent des plumes. L'embryon de la truite et celui de la salamandre ne sont pas entourés d'un amnios, poche remplie de liquide, qui existe chez les trois autres espèces.

Document 2 : différences entre séquences d'une même protéine (Données pédagogiques simplifiées)

On a comparé un fragment de 100 acides aminés d'une protéine présente chez les cinq espèces. Le tableau indique le nombre de positions où les acides aminés diffèrent entre deux espèces.

Les mutations s'accumulent au hasard au fil des générations : plus deux lignées sont séparées depuis longtemps, plus leurs séquences tendent à différer, sans régularité parfaite.

Exercice 1 : Construire des groupes emboîtés à partir du Document 1

1. Citer le caractère du Document 1 qui ne permet de séparer aucune des cinq espèces et justifier.
2. Donner la liste des espèces à quatre membres, puis celle des espèces possédant l'amnios. Montrer que le second groupe est contenu dans le premier.
3. Écrire les groupes emboîtés des cinq espèces sous forme de parenthèses, en utilisant uniquement les vertèbres, les quatre membres et l'amnios. Que constate-t-on pour le trio lézard, poule, souris ?
4. Expliquer pourquoi les plumes et les poils avec mamelles ne créent aucun groupe supplémentaire.

Exercice 2 : Exploiter les données moléculaires du Document 2

1. Relever la paire d'espèces qui diffère le moins et exprimer ce nombre en pourcentage du fragment étudié.
2. Calculer la moyenne des différences entre la truite et chacune des quatre autres espèces, puis la moyenne des différences entre la salamandre et le trio lézard, poule, souris. Comparer et interpréter.
3. Pour le trio, calculer le rapport entre le nombre de différences lézard-souris et le nombre de différences lézard-poule (arrondir au dixième). Indiquer quelle paire a l'ancêtre commun le plus récent.
4. Donner deux limites de cette comparaison moléculaire.

Exercice 3 : Départager Inès et Malik

1. Quel caractère Inès utilise-t-elle pour regrouper la poule et la souris ? Quelles espèces le possèdent ?
2. Le Document 1 seul permet-il de trancher entre Inès et Malik ? Chercher dans le tableau un caractère dérivé partagé uniquement par le lézard et la poule.
3. Confronter la proposition d'Inès au Document 2 en citant des valeurs.
4. Proposer une explication à la température constante de la poule et de la souris, compatible avec le Document 2, et nommer ce phénomène.
5. Rédiger en quatre phrases au plus la conclusion du panneau, en nuançant le degré de certitude.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. Les vertèbres sont présentes chez les cinq espèces (1 partout). Ce caractère est hérité de leur ancêtre commun à toutes : il définit le groupe de départ mais ne sépare aucune espèce d'une autre.
2. Quatre membres : salamandre, lézard, poule, souris. Amnios : lézard, poule, souris. Les trois espèces à amnios figurent toutes parmi les quatre espèces à quatre membres : le second groupe est emboîté dans le premier. La truite est hors des deux.
3. On obtient : (truite, (salamandre, (lézard, poule, souris))). Le trio forme bien un groupe, mais aucun des trois caractères utilisés ne le subdivise : l'ordre interne reste non résolu avec ces seules données.
4. Les plumes ne sont présentes que chez la poule, les poils et mamelles que chez la souris. Un caractère propre à une seule espèce n'est partagé avec aucune autre, donc ne permet de regrouper personne. Il caractérise la branche de l'espèce, sans informer sur ses relations.

Critères de réussite : identification des vertèbres avec justification, emboîtement vérifié par comparaison de listes, notation en parenthèses correcte, constat explicite que le trio n'est pas résolu.

Exercice 2 : correction

1. La paire lézard-poule diffère le moins, avec 8 différences. 8 sur 100 positions donnent 8 %.
2. Truite : (30 + 34 + 35 + 36) / 4 = 135 / 4 = 33,75 différences en moyenne, soit environ 33,8. Salamandre avec le trio : (22 + 23 + 24) / 3 = 69 / 3 = 23 différences en moyenne. La salamandre est donc moins différente du trio que la truite des quatre autres espèces. C'est cohérent avec l'arbre du Document 1 : la lignée de la truite s'est séparée la première, la salamandre ensuite.
3. 15 / 8 = 1,875, soit environ 1,9. Le lézard diffère près de deux fois plus de la souris que de la poule. La paire lézard-poule (8) a donc l'ancêtre commun le plus récent. La paire poule-souris (16) est aussi éloignée que lézard-souris (15).
4. Limites possibles : un seul fragment de 100 acides aminés d'une seule protéine ne représente pas l'ensemble du génome ; la vitesse d'accumulation des mutations n'est pas parfaitement régulière ; les valeurs 15 et 16 sont presque égales ; ce type de comparaison ne dit pas qui descend de qui. Deux limites suffisent.

Critères de réussite : calculs avec unités (différences, pourcentage), interprétation en termes d'ancêtre commun récent et non d'ascendance directe, deux limites pertinentes.

Exercice 3 : correction

1. Inès utilise la température corporelle constante. Les espèces concernées sont la poule et la souris.
2. Non. Les caractères dérivés sont : plumes (poule seule), poils et mamelles (souris seule), température constante (poule et souris), amnios (lézard, poule, souris). Aucun caractère n'est partagé uniquement par le lézard et la poule. Le tableau ne soutient donc pas Malik. Il ne réfute pas non plus définitivement Inès, mais il montre que le seul caractère qui divise le trio est celui qu'elle cite, ce qui rend son idée tentante.
3. Si la poule et la souris étaient les plus proches, leur protéine devrait différer le moins. Or poule-souris vaut 16 différences, contre 8 pour lézard-poule. La poule est deux fois moins différente du lézard que de la souris. La proposition d'Inès est contredite par le Document 2.
4. Les données moléculaires indiquent que la poule est plus proche du lézard. La température constante a donc pu apparaître séparément dans la lignée de la poule et dans celle de la souris : c'est une convergence. Ce caractère n'est pas hérité d'un ancêtre commun exclusif et ne prouve pas une parenté étroite. Le lézard, proche de la poule, ne le possède pas.
5. Exemple de conclusion : « Les données disponibles indiquent que le lézard et la poule ont un ancêtre commun plus récent que celui qu'ils partagent avec la souris. La température corporelle constante, présente chez la poule et la souris, serait apparue indépendamment dans deux lignées. Cette hypothèse repose sur une seule protéine et sur un petit nombre de caractères. D'autres caractères et d'autres protéines pourraient la confirmer ou la modifier. »

Critères de réussite : distinction entre caractère partagé hérité et convergence, citation de valeurs chiffrées précises (16 et 8), conclusion nuancée qui ne prétend pas à la preuve définitive.