Arbres phylogénétiques — Exercices

Lire, construire, interpréter. Corrigé détaillé en fin de document.

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1Lire un arbre phylogénétique/ 4 pts

On donne l'arbre suivant (représentation emboîtée) :
(Lamproie, (Requin, (Grenouille, (Lézard, Homme))))
Les synapomorphies portées successivement sur les branches sont : Mâchoires (nœud 1), Quatre membres (nœud 2), Amnios (nœud 3).

a) Quels taxons constituent le clade des Tétrapodes ? Justifier en citant la synapomorphie correspondante.
b) Quelle est la synapomorphie des Amniotes ? Donner la composition de ce clade.
c) Quel taxon est le plus proche parent de l'Homme dans cet arbre ? Justifier en vous appuyant sur la notion de nœud partagé.
d) La Grenouille est-elle plus étroitement apparentée au Requin ou à la Lamproie ? Justifier.

2Construire un arbre phylogénétique/ 5 pts

On dispose de la matrice de caractères ci-dessous (0 = absent, 1 = présent). La Lamproie est le groupe externe.

Lamproie (GE) : Mâchoires = 0 | Quatre membres = 0 | Amnios = 0 | Poils = 0
Requin : Mâchoires = 1 | Quatre membres = 0 | Amnios = 0 | Poils = 0
Grenouille : Mâchoires = 1 | Quatre membres = 1 | Amnios = 0 | Poils = 0
Lézard : Mâchoires = 1 | Quatre membres = 1 | Amnios = 1 | Poils = 0
Chat : Mâchoires = 1 | Quatre membres = 1 | Amnios = 1 | Poils = 1

a) Classer les quatre caractères du plus ancestral au plus dérivé. Justifier.
b) Construire l'arbre phylogénétique en représentation emboîtée.
c) Placer les synapomorphies sur l'arbre et nommer chaque clade obtenu.

3Homologie ou analogie ?/ 3 pts

Pour chacun des exemples suivants, indiquer s'il s'agit d'une homologie ou d'une analogie et justifier en une phrase.

a) Le bras de l'Homme, l'aile de la Chauve-souris et la nageoire pectorale du Dauphin présentent tous la même organisation osseuse : humérus, radius-ulna, carpes, métacarpes, phalanges.
b) L'aile de l'Oiseau et l'aile du Papillon permettent toutes deux le vol, mais sont constituées de matériaux totalement différents.
c) L'œil du Poulpe (Mollusque) et l'œil du Chat (Mammifère) ont une structure semblable (cristallin, rétine), mais leur développement embryologique diffère complètement.

4Phylogénie moléculaire/ 4 pts

Le tableau donne le nombre de différences d'acides aminés dans la séquence du cytochrome c entre cinq Primates. Le Gibbon est le groupe externe.

Homme / Chimpanzé : 1
Homme / Gorille : 2
Homme / Orang-outan : 5
Homme / Gibbon : 6
Chimpanzé / Gorille : 2
Chimpanzé / Orang-outan : 5
Chimpanzé / Gibbon : 6
Gorille / Orang-outan : 5
Gorille / Gibbon : 6
Orang-outan / Gibbon : 6

a) Quelle espèce est la plus proche parente de l'Homme selon ces données ? Justifier.
b) Construire l'arbre phylogénétique correspondant à ces données.
c) Quelle hypothèse sous-tend l'utilisation du nombre de différences moléculaires pour inférer des relations de parenté ?

5Convergence évolutive et parcimonie/ 4 pts

On étudie cinq espèces : Thon (Poisson téléostéen), Requin (Poisson cartilagineux), Dauphin (Mammifère marin), Ichtyosaure (Reptile marin fossile) et Grenouille (Amphibien). Un élève propose de regrouper Thon, Requin, Dauphin et Ichtyosaure dans un même clade car ils présentent tous un corps en fuseau et des nageoires.

a) Rappeler à quel grand groupe évolutif appartient chacune des quatre espèces citées par l'élève (Poisson cartilagineux, Téléostéen, Amniote Sauropsidé, Amniote Mammifère).
b) La proposition de l'élève est-elle correcte ? Expliquer en utilisant les notions d'analogie et de synapomorphie.
c) Comment appelle-t-on le phénomène à l'origine de ces ressemblances ? En expliquer brièvement le mécanisme.
d) Quel principe permet de choisir entre deux hypothèses d'arbre contradictoires lorsque des données conflictuelles existent ?

Corrigé détaillé

1Lire un arbre phylogénétique

a) \(Le clade des Tétrapodes regroupe tous les taxons partageant la synapomorphie « quatre membres », portée au nœud 2.\) \(Grenouille, Lézard et Homme. Synapomorphie : présence de quatre membres.\)

b) \(La synapomorphie portée au nœud 3 (le plus interne) est l'amnios.\) \(Synapomorphie : amnios. Le clade des Amniotes regroupe Lézard et Homme.\)

c) \(Le plus proche parent de l'Homme est le taxon qui partage avec lui le nœud le plus récent.\) \(Le Lézard. Lézard et Homme partagent le nœud 3 (Amniotes), plus récent que le nœud 2 (Tétrapodes, partagé avec Grenouille) et que le nœud 1 (Gnathostomes, partagé avec Requin).\)

d) \(Grenouille et Requin partagent le nœud 1 (synapomorphie : mâchoires). Grenouille et Lamproie ne partagent qu'un nœud plus basal.\) \(La Grenouille est plus proche du Requin : elles partagent la synapomorphie « mâchoires » (nœud 1), un ancêtre commun plus récent qu'avec la Lamproie.\)

2Construire un arbre phylogénétique

a) \(Plus un caractère est partagé par un grand nombre de taxons de l'ingroup, plus il est apparu tôt. Nombre de taxons portant chaque caractère : Mâchoires = 4, Quatre membres = 3, Amnios = 2, Poils = 1.\) \(Du plus ancestral au plus dérivé : Mâchoires → Quatre membres → Amnios → Poils.\)

b) \(On emboîte les clades du plus large (mâchoires, 4 taxons) au plus restrictif (poils, 1 taxon).\) \(Arbre : (Lamproie, (Requin, (Grenouille, (Lézard, Chat)))).\)

c) \(Chaque synapomorphie est placée sur la branche menant au nœud du clade qu'elle définit.\) \(Mâchoires → Gnathostomes = Requin, Grenouille, Lézard, Chat. | Quatre membres → Tétrapodes = Grenouille, Lézard, Chat. | Amnios → Amniotes = Lézard, Chat. | Poils → branche menant au Chat (synapomorphie des Mammifères ; autapomorphie dans cet arbre car un seul Mammifère est représenté).\)

3Homologie ou analogie ?

a) \(Même plan d'organisation osseuse = même origine embryologique et génétique, héritée du membre antérieur ancestral des Tétrapodes.\) \(Homologie. Ces structures dérivent toutes du même membre antérieur tétrapode ; la diversité des formes résulte d'une évolution divergente à partir d'un modèle commun.\)

b) \(L'aile de l'Oiseau est un membre antérieur modifié (os de Tétrapode). L'aile du Papillon est une expansion chitineuse d'Arthropode. Origines embryologiques totalement différentes.\) \(Analogie. Même fonction (vol) mais origines radicalement distinctes : convergence évolutive liée à des pressions de sélection identiques.\)

c) \(Les Poulpes (Mollusques) et les Mammifères ont divergé très tôt dans l'évolution animale ; leurs plans d'organisation générale sont distincts.\) \(Analogie. L'œil à chambre est apparu indépendamment dans les deux lignées (convergence évolutive remarquable) : les architectures développementales diffèrent malgré la ressemblance structurale.\)

4Phylogénie moléculaire

a) \(Le Chimpanzé présente 1 seule différence avec l'Homme ; le Gorille en présente 2, l'Orang-outan 5, le Gibbon 6.\) \(Le Chimpanzé est le plus proche parent de l'Homme : 1 seule différence dans la séquence du cytochrome c indique un ancêtre commun plus récent qu'avec toutes les autres espèces.\)

b) \(On regroupe d'abord les paires les plus similaires : Homme–Chimpanzé (1 diff.) ; on ajoute Gorille (2 diff. avec chacun des deux précédents) ; puis Orang-outan (5 diff.) ; enfin Gibbon GE (6 diff. avec tous).\) \(Arbre : (Gibbon (GE), (Orang-outan, (Gorille, (Homme, Chimpanzé)))).\)

c) \(\) \(On suppose que les mutations s'accumulent à un rythme approximativement constant dans le temps (hypothèse de l'horloge moléculaire) : plus deux séquences présentent de différences, plus la séparation des lignées est ancienne.\)

5Convergence évolutive et parcimonie

a) \(\) \(Thon : Poisson téléostéen (Ostéichthyen, sans amnios). Requin : Poisson cartilagineux (Chondrichthyen, sans amnios). Dauphin : Mammifère (Amniote, Tétrapode). Ichtyosaure : Reptile fossile (Sauropsidé, Amniote, Tétrapode). Ces quatre taxons appartiennent à des clades distincts et éloignés.\)

b) \(Le corps fusiforme et les nageoires ne sont pas hérités d'un ancêtre commun exclusif à ces quatre espèces : ils sont apparus indépendamment dans chaque lignée, sous l'effet de pressions de sélection liées à la vie aquatique.\) \(Non. Le corps en fuseau constitue une analogie, non une synapomorphie. Regrouper ces taxons sur ce critère produirait un groupe artificiel polyphylétique, car ce caractère ne témoigne pas d'un ancêtre commun exclusif.\)

c) \(\) \(La convergence évolutive : apparition indépendante de caractères similaires dans des lignées distinctes sous l'effet de pressions de sélection comparables. Ici, l'adaptation à la nage en milieu marin a sélectionné des formes hydrodynamiques analogues chez des organismes non apparentés. Si l'on confond convergence et synapomorphie, on regroupe des taxons non apparentés dans un clade fictif.\)

d) \(\) \(Le principe de parcimonie : on retient l'arbre qui requiert le plus petit nombre d'événements évolutifs (apparitions ou pertes de caractères). L'arbre le plus parcimonieux est jugé le plus probable.\)