Les concepts de biologie évolutive

Les concepts de biologie évolutive

Étude d’un exemple : le membre chiridien en évolution

A chaque génération d’êtres vivants, des variations génétiques aléatoires à l’origine de caractères nouveaux apparaissent. Ces variations sont la conséquence de mutations modifiant légèrement la situation précédente. Les mutations apparaissent de manière aléatoire et la majorité d’entre elles ne sont pas favorables aux individus. Cependant quand ces innovations confèrent un avantage sélectif, elles sont transmises à la descendance et conservées au niveau des populations et de l’espèce. C’est la sélection naturelle.

Seules celles permettant une meilleure adaptation au milieu de vie ont donc été successivement conservées.

A la fin de la séance j’ai compris :

 que l’apparition de mutations à l’origine de variations, suivie de la sélection naturelle, explique l’origine de structures anatomiques simples ou complexes.

Comment des structures comme le membre chiridien  est-il apparue au cours de l’évolution ? 

Selon le principe des connexions morpho-anatomiques (anatomie comparée), deux structures qui entretiennent les mêmes rapports avec les structures voisines dans deux organismes différents sont potentiellement homologues. C’est le cas par exemple du membre antérieur des Mammifères qui est toujours construit sur un même modèle, malgré de plus ou moins grandes variations . 

Le terme de chiridien caractérise le membre relié au reste du squelette par une seule pièce basale, permettant une plus grande mobilité du membre par rapport à l’axe du corps.

Expliquer comment l’existence de variations aléatoires et la sélection naturelle sont à l’origine de la complexité d’une structure anatomique telle que le membre chiridien.

Document 1 Anatomie du membre chiridien

Les vertébrés tétrapodes possèdent 4 membres. Chacun de ces membres est organisé selon un plan défini comme celui du membre Chiridien :

-1 os long s’articulant à une ceinture (en rouge)

-2 os longs (en jaune)

– une palette d’os courts faisant appui sur le milieu locomoteur (en bleu)

 

Document 2 Articulation des membres à la colonne vertébrale

Les ceintures sont des structures qui permettent d’articuler les membres à la colonne vertébrale. C’est à leur niveau que s’insère la partie la plus importante de la musculature des membres. Elles régressent avec la disparition des membres (serpent). La ceinture pectorale relie les membres antérieurs à la colonne vertébrale. La ceinture pelvienne relie les membres postérieurs à la colonne vertébrale.

Document 3 : Une histoire évolutive

Contrairement aux idées reçues, l’apparition du membre chiridien est antérieure à la conquête de la terre ferme. En effet, les premiers Tétrapodes sont avant tout des animaux aquatiques vivant en eaux peu profondes. Leurs membres horizontaux ressemblaient à des pagaies, les articulations entre les 3 segments étaient assez peu mobiles.

L’évolution de la disposition du membre chiridien par rapport au corps a permis aux Tétrapodes de s’affranchir progressivement du milieu aquatique.Chez la plupart des amphibiens fossiles et chez les reptiles actuels, les membres se plient en Z et soulèvent le corps au-dessus du sol. Cette organisation ne permet qu’une marche lente et requiert une musculature puissante.

Le membre dressé des Mammifères présente des avantages pour la locomotion, il agit comme un ressort. Le soulèvement du corps n’exige plus une musculature puissante. L’allègement des masses musculaires et une meilleure utilisation des bras de levier permettent d’accroître l’enjambée.

On étudie le squelette de plusieurs vertébrés pour mettre en évidence leurs liens de parenté et l’évolution des membres et de la locomotion au cours de l’évolution.

Activité 1 : Adaptation à la course

Échantillons : Homme, chat, cheval, ours, chien, cerf

Sur chacun des échantillons observez : 

• La place et la longueur respective du stylopode, zeugopode et autopode
• La longueur respective des différentes parties de l’autopode
• Le nombre de doigts et les fusions d’os
• L’angle formé entre l’autopode et le zeugopode
• La surface d‘appui sur le sol (grande/ petite, quelle partie est sur le sol), quels effets sur le frottement du sol ?
• Quels effets sur la poussée au sol et la puissance développée ? A quel type de locomotion cela correspond-t-il ?

Pour chacun des schémas, colorier les structures homologues du membre chiridien (stylopode, zeugopode et autopode ). Détaillez au moins 3 caractéristiques anatomiques à l’adaptation à la course. 

Activité 2 : Adaptation au saut 

Échantillons :  chat, lapin, grenouille, gerboise

Sur chacun des échantillons observez :

– La ceinture pelvienne

– La disposition des membres par rapport au squelette axial (transversal ou parasagittal ?)

– La place et la longueur respective du stylopode/zeugopode/autopode

– L’orientation et l’angle formé entre ces 3 parties. Quel effet sur la poussée du membre ? L’angle formé entre l’autopode et le zeugopode.

– La surface d‘appui sur le sol (grande/petite, quelle partie exacte ?)

– Quels effets sur la poussée au sol et la puissance développée, et à quel type de locomotion cela correspond-t-il ?

Déterminer au moins 3 caractéristiques anatomiques associées à l’adaptation au saut. Justifiez à l’aide d’un exemple de convergence évolutive entre les mammifères sauteurs et les amphibiens.

Pour chacun des schémas, colorier les structures homologues du membre chiridien (stylopode, zeugopode et autopode )

Activité 3 : Adaptation au vol

Échantillons : oiseaux (poule) et chauve souris.

Sur chacun des échantillons observez :

-La place et la longueur respective du stylopode/zeugopode/autopode. Décrire la surface portante dans l’air.

– Dégagez les caractéristiques du membre chiridien qui peut être associé à l’adaptation au vol. 

Pour chacun des schémas, colorier les structures homologues du membre chiridien (stylopode, zeugopode et autopode )

Activité 4 : Adaptation à la nage

Échantillons : otarie, dauphin

Sur l’échantillon observez :

• l’insertion des nageoires
• la structure interne des nageoires
• la forme et la taille des os, 
• les ceintures
• les surfaces d’appui sur l’eau.

Pour chacun des schémas, colorier les structures homologues du membre chiridien (stylopode, zeugopode et autopode )

Bilan

1.  Comment expliquer l’apparition de la nouveauté membre chiridien dans l’évolution ? 
2. Le membre chiridien a-t-il toujours la même structure (organisation des os du squelette) et la même forme ?

 

Bilan 

Mots à placer : mutations , sélection naturelle , linéaire,  hasard

Le membre chiridien est le fruit d’une histoire évolutive qui n’est pas …………………: elle ne va pas du plus simple vers le plus compliqué. Chaque variation du membre est due à des…………………….. sous l’effet du………………….. La plupart du temps, la………………………………………….. permet de conserver le membre les plus adaptés au besoin de l’organisme.

 

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Savoir

Les structures anatomiques présentent des particularités surprenantes d’un point de vue fonctionnel, pouvant paraître sans fonction avérée ou bien d’une étonnante complexité.
Elles témoignent de l’évolution des espèces, dont la nôtre. Les caractères anatomiques peuvent être le résultat de la sélection naturelle mais certains sont mieux expliqués par l’héritage de l’histoire évolutive que par leur fonction.
L’évolution permet de comprendre des phénomènes biologiques ayant une importance médicale.

Savoir faire

• Expliquer l’origine d’une structure anatomique en mobilisant les concepts de hasard, de variation, de sélection naturelle et d’adaptation

Correction

Adaptation à la course :

Adaptation au saut : Elle est caractérisée par une patte postérieure en forme de « Z » avec une longueur équivalente pour les 3 segments assurant des mouvements de « flexion-extension ». le pied est plantigrade ce qui augmente la surface d’appui. Chez la grenouille, la palmure évite l’enfoncement dans la boue au moment du saut.

Adaptation au vol : L’adaptation au vol a nécessité la transformation du membre antérieur en aile et plus particulièrement une transformation de l’autopode. Les trois métacarpiens ont fusionné et les doigts de la main sont inclus dans l’aile.  La surface portante est formée par :

• un repli de la peau des flancs (le patagium) chez les mamiferes volants (chauve souris, reptiles pterosaurien, dragon volant ou galeopitheque.
• des plumes spéciales, les rémiges. c’est le cas des oiseaux. Ces plumes sont insérées sur les trois segments du membre antérieur. En plus de la formation de l’aile proprement dite, l’adaptation au vol portent sur de nombreux autres caractères ( présence de sacs aériens permettant une ventilation intense du poumon, pneumatisation des os, sternum tès développé avec bréchet, existence d’un synsacrum)