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4.1 : Arbres phylogénétiques - Géosciences


OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE

  • Comprendre comment la vie peut être organisée

  • Décrire comment les arbres phylogénétiques montrent comment nous organisons la vie

Catégoriser la vie

Nous interprétons toute vie sur Terre comme liée en fonction de ses caractéristiques communes. Par exemple, toute vie utilise l'ADN pour stocker des informations génétiques, cet ADN est traduit en ARN et l'ARN est transcrit en protéines qui font la biochimie des cellules. Diverses lignées de vie partagent des caractéristiques similaires au sein d'une lignée, mais elles diffèrent des autres lignées. Par exemple, la composition des parois cellulaires bactériennes est similaire mais diffère de celle des animaux de manière importante. De même, la symétrie dans les corps de différents types d'animaux varie de manière systématique ; les échinodermes ont une symétrie 5 fois alors que les bilatériens ont une symétrie 2 fois. La plupart de ces similitudes et différences de caractéristiques reflètent des processus évolutifs historiques, et nous utilisons celles qui le font pour classer des sous-ensembles de la vie et reconstruire l'histoire évolutive de la vie. L'une des façons dont nous effectuons, évaluons et interprétons les classifications consiste à créer des arbres phylogénétiques.

Les arbres phylogénétiques sont des diagrammes qui montrent les relations entre les organismes. Les scientifiques considèrent les arbres phylogénétiques comme des hypothèses du passé évolutif construites à partir des caractéristiques observables des organismes de l'arbre. En d'autres termes, un « arbre de vie », comme on l'appelle parfois, peut être construit pour illustrer les relations entre différents organismes. Ces organismes peuvent être modernes ou fossiles avec les arbres basés sur des données de génomes, de fonction ou de morphologie. Les arbres illustrent des hypothèses sur le moment où différents organismes ont divergé de leurs anciens ancêtres communs et comment ils ont évolué.

Les relations hypothétiques sont représentées graphiquement par des lignes qui relient les organismes aux extrémités des lignes à leurs ancêtres plus profondément dans l'arbre. Les lignées se ramifient là où une lignée de vie a évolué (ou s'est divisée) en deux lignées. Ces points de branchement et leur ordre dans l'arbre enregistrent les relations hypothétiques entre les organismes. La longueur de chaque ligne représente la différence évolutive relative de l'organisme à l'extrémité par rapport à l'ancêtre commun le plus récent avec d'autres lignées au point de ramification ; les lignes longues représentent des quantités importantes de différence évolutive, tandis que les lignes courtes représentent des relations évolutives plus étroites entre les organismes. Parfois, les lignes sont calibrées dans le temps, l'emplacement de chaque point de ramification correspondant au moment hypothétique auquel les plus jeunes lignées ont divergé.

Si un arbre phylogénétique a une ligne à la base (généralement tracée en bas ou à gauche ; voir arbre phylogénétique (a) dans la figure ci-dessous), l'arbre est "enraciné". Les arbres enracinés peuvent être lus comme une carte de l'histoire de l'évolution, à partir d'une seule lignée à la base de l'arbre, qui représente un ancêtre commun à toute la vie montrée dans l'arbre, et à travers les branches jusqu'aux pointes, qui représentent organismes vivants ou le fossile le plus récent représentatif de la lignée. L'arbre phylogénétique enraciné (a) illustré ci-dessous comprend les trois domaines de la vie (Bactéries, Archées et Eukarya), avec le « dernier ancêtre commun » de toute vie divergeant en deux lignées de Bactéries et Archées en premier. À un moment donné, le dernier ancêtre commun à Archaea et Eukarya a divergé en deux lignées, menant aux Archaea et Eukarya modernes. La lignée Eukarya a finalement divergé en de nombreuses autres lignées, y compris les plantes et les animaux (y compris les humains). Les lignes courtes entre les plantes et les animaux montrent qu'elles sont plus étroitement liées les unes aux autres que les bactéries ne le sont aux animaux, par exemple. De même, l'emplacement du point de ramification entre les plantes et les animaux près de l'extérieur de l'arbre montre qu'ils partageaient un ancêtre commun à une époque beaucoup plus récente que le dernier ancêtre commun entre les animaux et l'un des Archaea, par exemple. Les arbres non enracinés (voir arbre phylogénétique (b) dans la figure ci-dessous) ne montrent pas un dernier ancêtre commun à toute la vie dans l'arbre. La géométrie de la branche montre les relations évolutives entre les organismes, mais le point central n'indique pas toujours un ancêtre commun. Les arbres non racinés montrent des relations hypothétiques entre les organismes, mais pas nécessairement leur histoire évolutive.

Arbres phylogénétiques: Ces deux arbres phylogénétiques montrent la relation entre les trois domaines de la vie (Bactéries, Archées et Eukarya), mais le (a) arbre enraciné tente d'identifier quand diverses espèces ont divergé d'un ancêtre commun, tandis que le (b) arbre non enraciné ne fait pas.

Arbres de dessin et terminologie

Dans un arbre phylogénétique, chaque point de ramification représente une lignée unique évoluant en deux lignées distinctes. Une lignée qui a évolué tôt à partir de la racine d'un arbre et reste non ramifiée est appelée taxon basal. Lorsque deux lignées proviennent du même point de ramification, elles sont appelées taxons frères. Une branche avec plus de deux lignées s'appelle une polytomie et sert à illustrer où les scientifiques n'ont pas définitivement déterminé toutes les relations évolutives.

Arbres phylogénétiques enracinés: La racine d'un arbre phylogénétique indique qu'une lignée ancestrale a donné naissance à tous les organismes de l'arbre. Un point de branchement indique où les lignées ont divergé les unes des autres. Une lignée qui a évolué tôt et reste non ramifiée est un taxon basal. Lorsque deux lignées proviennent du même point de ramification, ce sont des taxons frères. Une branche avec plus de deux lignées est une polytomie.

Il est important de noter que les lignes qui composent l'arbre représentent des organismes ancestraux, et non les organismes présents aux extrémités des lignes. Les taxons sœurs et la polytomie partagent un ancêtre, mais les groupes d'organismes ne se sont pas séparés ou n'ont pas évolué les uns par rapport aux autres.; ils se sont plutôt séparés et ont évolué à partir d'un ancêtre commun. Les organismes de deux taxons peuvent s'être séparés à un point de ramification spécifique, mais aucun des taxons n'a donné naissance à l'autre ; les deux ont évolué, comme représenté par la longueur des lignes s'étendant du point de ramification aux pointes.

Les arbres phylogénétiques peuvent être dessinés de plusieurs manières, mais l'ordre des branches est toujours le même pour tous les arbres basés sur les mêmes données. Les arbres phylogénétiques peuvent sembler très différents, mais illustrent toujours les mêmes relations. Par exemple, les taxons frères peuvent être tournés autour de leur point de ramification, mais ce sont toujours des taxons frères. L'emplacement des animaux et des champignons peut être échangé dans l'arbre enraciné ci-dessus (une rotation autour de leur point de branchement). Lorsque les points de ramification sont tournés, l'ordre des taxons change mais les informations dans l'arbre sont les mêmes car la séquence de points de ramification est la même. Si vous tracez le chemin évolutif d'un ancêtre commun à un organisme à l'extrémité d'une branche, le chemin ne change pas même si les branches sont tournées. En d'autres termes, l'évolution de chaque taxon à partir d'un point de ramification est indépendante des autres organismes de l'arbre. De même, les branches peuvent être dessinées à des angles les unes par rapport aux autres ou avec des barres horizontales/verticales/circonférences les reliant (comparez les arbres (a) et (b) ci-dessus). Ces options géométriques dans le dessin d'arbres phylogénétiques permettent aux scientifiques de visualiser des données complexes pour faciliter les interprétations. Les scientifiques choisissent souvent des options qui mettent l'accent sur les aspects des relations évolutives qu'ils souhaitent le plus illustrer.

Interprétation des arbres enracinés

Les arbres phylogénétiques enracinés peuvent servir de voie pour comprendre l'histoire de l'évolution. Un chemin peut être tracé depuis un ancêtre, ou même l'origine de la vie, jusqu'à n'importe quelle espèce individuelle en naviguant à travers les branches évolutives entre les deux points. De plus, en commençant par une seule espèce et en remontant vers le «tronc» de l'arbre, on peut découvrir les ancêtres de cette espèce, ainsi que les endroits où différentes lignées partagent une ascendance commune. De plus, l'arbre peut être utilisé pour étudier les relations évolutives au sein ou entre des groupes entiers d'organismes.

De nombreuses disciplines de la biologie contribuent à comprendre comment la vie passée et présente a évolué au fil du temps ; ensemble, ces disciplines contribuent à la construction, à la mise à jour et au maintien de «l'arbre de vie». L'information est utilisée pour organiser et classer les organismes en fonction des relations évolutives dans un domaine scientifique appelé systématique. Les données peuvent être collectées à partir de fossiles, en étudiant la structure de parties du corps ou de molécules utilisées par un organisme, et par analyse d'ADN. En combinant des données provenant de nombreuses sources, les scientifiques peuvent établir la phylogénie des organismes. Étant donné que les arbres phylogénétiques sont des hypothèses, ils continueront à changer à mesure que de nouveaux types de vie seront découverts et que de nouvelles informations seront acquises.

Points clés

  • Les arbres enracinés ont une seule lignée à la base représentant un ancêtre commun qui relie tous les organismes présentés dans un diagramme phylogénétique.
  • Les points de ramification dans un arbre phylogénétique représentent une scission où une seule lignée a évolué en une nouvelle distincte, tandis que le taxon basal représente des lignées non ramifiées qui ont divergé tôt de la racine.
  • Les arbres non racinés décrivent les relations entre les espèces, mais ne représentent pas leur ancêtre commun.
  • Les arbres phylogénétiques sont des hypothèses et sont donc modifiés à mesure que des données plus nombreuses et de meilleure qualité deviennent disponibles.
  • La systématique utilise des données provenant de fossiles, l'étude des structures corporelles, des molécules utilisées par une espèce et l'analyse de l'ADN pour contribuer à la construction, à la mise à jour et à la maintenance des arbres phylogénétiques.

Mots clés

  • polytomie: une section d'une phylogénie dans laquelle les relations évolutives ne peuvent pas être entièrement résolues en dichotomies (séparées en seulement deux lignées)
  • taxon de base: une lignée, affichée à l'aide d'un arbre phylogénétique, qui a divergé tôt de la racine et dont aucune autre branche n'a divergé
  • systématique: recherche sur les relations des organismes ; la science de la classification systématique
  • phylogénie: la représentation visuelle de l'histoire évolutive des organismes ; sur la base d'analyses rigoureuses

Questions à méditer

  • Quels aspects des organismes fournissent des données utiles pour leur classification ?
  • Recherchez un arbre phylogénétique dans une publication scientifique. Êtes-vous à l'aise pour l'interpréter ? Quelles questions avez-vous à ce sujet ?


Voir la vidéo: Comprendre et construire des arbres phylogénétiques (Octobre 2021).