Chapitre 5- Parenté entre les espèces.

1- Le squelette chez les animaux.

Le squelette est une charpente animale rigide servant de support pour les muscles et les organes. Cette structure permet à un organisme de protéger ses organes et de garder une certaine forme malgré la force exercée par la gravité terrestre. Il existe deux principaux types de squelettes : l’exosquelette (mollusques, arthropodes) à la surface du corps, et l’endosquelette, à l’intérieur du corps (vertébrés).

(PHOTO = Squelette de chien).

L’exosquelette, est une enveloppe rigide en contact direct avec l’environnement qui se trouve à la surface du corps de certains animaux.  La coquille des mollusques est constitué essentiellement de carbonate de calcium. Les arthropodes sont recouverts d’un exosquelette articulé appelé cuticule.

(PHOTO = Mue de cigale)

L’ endosquelette, est le squelette des vertébrés. Le squelette humain est composé de 206 os. L’ensemble est constitué largement de calcium.

(PHOTO = Le squelette humain).

Les cellules de la couche musculaire des éponges sécrètent des bâtonnets et des fibres considérées comme un squelette interne. Certains échinodermes possèdent également un squelette interne, bien que superficiel, formé de cristaux de calcite.

(PHOTO = Spicules d’éponge).

2- Les premiers vertébrés tétrapodes.

Les premiers tétrapodes apparaissent au Dévonien supérieur , il y a 375 millions d’années. Les mieux connus de ces tétrapodes dévoniens sont Ichthyostega et Acanthostega, des Vieux Grès Rouges du Groenland. Ces premiers tétrapodes conservaient de nombreux attributs de poissons (appareil branchial fonctionnel, écailles couvrant le ventre, rayons dermiques à la nageoire caudale), et leurs membres, pourvus de six à huit doigts, n’avaient guère qu’une fonction natatoire.

Acanthostega, un des premiers tétrapodes.. 

Ce genre éteint a vécu durant le Dévonien supérieur, vers environ 365 millions d’années, dans ce qui est aujourd’hui le Groenland. Il figure parmi les premiers vertébrés à avoir des membres chiridiens, caractéristiques anatomiques qui en font un bon exemple d’évolution en mosaïque, avec des caractères ancestraux des sarcoptérygiens ichthyens et des caractères dérivés des premiers tétrapodes.

USNM PAL 617511, moulage d’un squelette partiel d’Acanthostega gunnari, exposé au musée national d’histoire naturelle des États-Unis.

L’articulation chez l’ Acanthostéga.

«… L’articulation du poignet, qui ne pouvait guère se plier, ne pouvait pas servir à le porter. La forme même des articulations de l’épaule et du coude limitait les mouvements de flexion. Son membre ressemblait davantage à une pagaie, incapable de soulever le corps du sol, qu’à une patte véritable. Sa queue, longue et haute, est soutenue en haut et en bas par des rayons, comme chez les Poissons. Ce tétrapode primitif menait une vie aquatique il respirait aussi bien à l’aide de branchies que de poumons. Son squelette branchial ressemble à celui d’un poisson. »          

D’après La Recherche, Jennifer A. Clack, n° 296, mars 1997.

Coelacanthe fossile du Jurassique.

« Presque tous les poissons ont des nageoires dites « rayonnantes », où les rayons sont disposés en éventail, décrit Lionel Cavin, du Muséum d’histoire naturelle de Genève. Le cœlacanthe, ainsi que d’autres poissons qu’on appelle dipneustes, ont des nageoires « charnues ». Celles-ci contiennent des muscles et sont constituées autour d’un axe, duquel partent les rayons. » Il s’agit de l’ancêtre de la patte. « L’axe comprend plusieurs os organisés de manière similaire à ceux de nos membres, souligne Régis Debruyne. On retrouve les éléments homologues à l’humérus, le radius et le cubitus de nos bras, ou au fémur, au tibia et au péroné de nos jambes. Comprendre l’histoire du cœlacanthe, c’est aussi comprendre la nôtre : c’est pour ça que c’est fondamental. »

Lucia Sillig, Le Temps, 17 avril 2013.

Un Coelacanthe actuel.

Un Latimeria chalumnae, observé en Afrique du Sud le 22 novembre 2019. Les Cœlacanthes sont un ordre de poissons sarcoptérygiens. Il en existe de nombreux fossiles et deux espèces vivantes connues, du genre Latimeria (Latimeria chalumnae et Latimeria menadoensis). Ils n’ont que peu évolué morphologiquement depuis 350 Ma.

Un Neoceratodus forsteri : Dipneuste australien actuel.

Les dipneustes sont des  poissons osseux de la classe des sarcopterygiens. Ces espèces ont la particularité d’être dotées d’un poumon utilisé en complément de la respiration branchiale. Elles étaient répandues dans le monde entier au Dévonien et au Trias, mais l’aire de distribution des six espèces et trois genres survivants au xxi^e siècle est réduite à l’Amérique du Sud, à l’Afrique et à l’Australie, faisant de ces taxons des espèces reliques.

Un autre tétrapode primitif : Ichthyostega.

Ichthyostega (littéralement « toit de poisson » en grec ancien) est un genre éteint ayant vécu durant le Dévonien supérieur, entre 365 et 360 millions d’années avant notre ère, dans ce qui est aujourd’hui le Groenland.
Il s’agit d’un des plus vieux vertébrés à quatre membres connus à ce jour, l’animal s’en servant probablement pour naviguer dans des eaux peu profondes, telles que des rivières, marécages ou mangroves. Toutes les espèces possédant (ou ayant possédé) des membres terminés par des doigts appartiennent au groupe des Tétrapodes.

Membre antérieur et reconstitution d’Ichthyostega.

2- À la recherche des ancêtres des tétrapodes.

Eusthenopteron : un poisson à nageoires charnues.

Eusthenopteron est un genre éteint de sarcoptérygiens, le poisson fossile le plus connu pour son anatomie proche du groupe des tétrapodes. Il vivait il y a environ 385 millions d’années, au Dévonien supérieur, dans des eaux salées et douces du nord de l’Amérique et de l’Europe. C’est un des plus vieux fossiles chez lequel le membre est relié au reste du corps par un seul os, l’humérus. Cependant il ne possède aucun doigt.

Fossile et reconstitution d’Eusthenoptéron.

Panderichthys : un autre poisson à nageoires charnues.

Panderichthys est autre un genre éteint de sarcoptérygiens (vertébrés à nageoires charnues) ayant vécu au Dévonien moyen et supérieur (env. 380 millions d’années). Il est considéré comme une forme anatomiquement transitionnelle des tétrapodes car le squelette interne des nageoires pectorales et pelviennes évoque des membres chiridiens. .

Reconstitution de Panderichthys.

3- Le groupe des amniotes.

Le nom «amniote» provient du principal caractère du clade, l’œuf amniotique, qui contient quatre membranes spécialisées: l’amnios, le chorion, le sac vitellin et l’allantoïde.

Comme leur nom l’indique, ces membranes extraembryonnaires, qui ne font pas partie du corps de l’embryon, se développent à partir de couches tissulaires produites par celui-ci. L’œuf amniotique tire son nom de l’amnios, qui entoure une cavité remplie de liquide amniotique qui amortit les chocs et dans laquelle baigne l’embryon. Les autres membranes permettent les échanges gazeux, l’entreposage des déchets et le transfert à l’embryon des nutriments mis en réserve. L’œuf amniotique a constitué une innovation déterminante pour la vie terrestre puisqu’il permet à l’embryon de se développer sur la terre ferme, dans son «étang» exclusif. Grâce à cette révolution, les tétrapodes ne dépendent plus d’un environnement liquide pour se reproduire.

Contrairement aux œufs des amphibiens, les œufs amniotiques de la plupart des reptiles et de certains mammifères sont protégés par une coquille. Celle-ci ralentit considérablement la déshydratation de l’œuf exposé à l’air. Cette adaptation a permis aux amniotes d’occuper une plus grande variété d’habitats terrestres que les amphibiens, leurs plus proches parents. Chez la plupart des mammifères, la coquille est disparue, car l’embryon se développe dans l’amnios, à l’intérieur du corps de la mère.
Les amniotes ont acquis d’autres adaptations à la vie sur la terre ferme. Par exemple, ils utilisent leur cage thoracique pour ventiler leurs poumons. Cette méthode est plus efficace que la ventilation par la gorge à laquelle recourent les amphibiens, en plus de respirer par la peau. L’optimisation de la ventilation par la cage thoracique aurait permis aux amniotes d’abandonner la respiration cutanée et de se doter d’une peau moins perméable, ce qui leur permettait de retenir l’eau corporelle.

Malgré leur diversité, les êtres vivants actuels (et passés) présentent des caractères (=attributs) communs.
Certains de ces caractères sont utilisés par les scientifiques pour les réunir dans des groupes.

Qu’est-ce qu’un caractère biologique ?

BILAN 1

Pour classer les espèces, il faut repérer les caractères qu'elles possèdent: ce sont des caractéristiques anatomiques (ou physiologiques) semblables, mais qui peuvent avoir des fonctions différentes.
On rassemble alors dans un groupe les espèces qui possèdent un même caractère (ex: les mammifères possèdent tous des poils et des mamelles, le groupe des vertébrés possèdent un squelette interne + un crâne). 

Compléments..

1- La classification en groupes emboîtés.

Classer les espèces avec Guillaume Lecointre, zoologiste, un excellent résumé de la méthode de classification phylogénétique !

2- Apparition des premiers vertébrés.

L’origine des vertébrés est très ancienne comme l’atteste la découverte, en 1999, en Chine, de fossiles d’animaux vieux d’environ 530 millions d’années et ressemblant aux larves des actuelles lamproies. Actuellement, plus de 50 000 vertébrés sont répertoriés. Dans l’arbre gigantesque que constituent les 1,8 millions d’espèces connues, ils ne représentent que 3 % de la biodiversité.

L’acquisition de la colonne vertébrale, structure protectrice du système nerveux central, marque l’événement fondateur du groupe des vertébrés. Ensuite, pendant plus de 500 millions d’années, un nombre incalculable de mutations génétiques, provoque l’apparition de caractères nouveaux, ou innovations, portant sur l’anatomie mais aussi sur la physiologie et le comportement de ces animaux. Dans le même temps, les populations héritant de ces innovations se diversifient à leur tour, formant des espèces différentes.

Myllokummingia fengjiaoa (Cambrien inférieur = 524 millions d’années),
province du Yunnan, sud de la Chine.
Poisson primitif de petite taille (28 mm de long), considéré comme l’un des premiers vertébrés.

Myllokunmingia fengjiaoa semble avoir un crâne et des structures squelettiques faites de cartilage. Il a une tête et un tronc distincts avec une nageoire dorsale en forme de voile vers l’avant (1,5 mm) et un pli d’aileron ventral (probablement jumelé).
M. fengjiaoa a 25 segments (myomères) avec des chevrons arrière dans le tronc. Il y a une notochorde, un pharynx et un tube digestif. Bien que la bouche ne puisse pas être clairement identifiée, il peut y avoir une cavité péricardique. La tête a cinq ou six poches branchiales avec des hémibranches.

Autre poisson primitif sans mâchoire, Haikouichthys. (A) Rendu artistique de ce à quoi ressemblait Haikouichthys.
(B) Fossile de cet animal avec une capsule oculaire et otique (“Vésicule auditive”) étiquetée. Haikouichthys est admis avoir été un véritable vertébré, un poisson sans mâchoire, et il montre des éléments vertébraux (protovertèbres), des yeux proéminents et des capsules nasales (Shu, 2003 ; Shu et al., 2003, 2009).

Zhongjianichthys est un genre fossile d’agnathes primitifs datant du Cambrien, il y a environ entre 520 et 516 Ma (millions d’années). Il a été découvert en Chine dans la province du Yunnan..
Une seule espèce est rattachée au genre : Zhongjianichthys rostratus.

3- Les premiers poissons à mâchoires (= gnathostomes).

Les mâchoires, qui apparaissent il y a 430 millions d’années, sont transmises à l’ensemble des vertébrés à l’exception des lamproies. L’os est également une innovation héritée par la majorité des vertébrés même si certains conservent aujourd’hui un squelette cartilagineux.

Les placodermes constituent un groupe de vertébrés fossiles, pourvus de mâchoires et d’une robuste carapace faite de plaques d’os dermiques – d’où leur nom. Ils ont vécu depuis le  Silurien supérieur, mais surtout pendant le Dévonien. Les plus anciens ont été découverts dans des couches géologiques du Silurien de Chine du sud et du Vietnam. Les plus récents sont datés du Dévonien supérieur (360 Ma) et ont été collectés dans les grès rouges de la côte est du Groenland.

3- Les premiers tétrapodes.

En 1987, une expédition au Groenland a découvert les restes fossilisés d'un vertébré tétrapode (Acanthostega). Une étude précise a permis, en 1997, de reconstituer son squelette et son mode de vie.

Ichthyostega (littéralement « toit de poisson » en grec ancien) est un genre éteint ayant vécu durant le Dévonien supérieur, entre 365 et 360 millions d'années avant notre ère, dans ce qui est aujourd'hui le Groenland. 
Il s'agit d'un des plus vieux vertébrés à quatre membres connus à ce jour, l'animal s'en servant probablement pour naviguer dans des eaux peu profondes, telles que des rivières, marécages ou mangroves. 
Le genre est décrit par le paléontologue suédois Gunnar Säve-Söderbergh en 1932 à partir de plusieurs fossiles plus ou moins complets découverts dans l'est du Groenland.

Il y a 380 millions d’tébrés acquièrent des poumons et

peuvent alors coloniser les milieux aériens. Parmi eux, des animaux tirent profit d’une nouvelle structure, l’amnios qui forme un sac autour de l’embryon et les affranchit du milieu aquatique pour leur reproduction. Des poils se développent chez certains amniotes il y a 280 millions d’années tandis qu’un gésier se forme chez d’autres il y a 250 millions d’années.

Les fossiles ont déjà permis de retracer les grandes lignes de l’histoire des vertébrés. Mais les espèces actuelles sont également de précieux indices pour “remonter dans le temps”. En effet, si plusieurs espèces partagent aujourd’hui une même innovation, c’est qu’elles l’ont probablement héritée d’un ancêtre commun. Leurs relations de parenté, ou phylogénie, sont aujourd’hui modélisées par les systématiciens sous forme d’arbres ou cladogrammes.

La diversité actuelle de la faune des vertébrés est l’écume d’une histoire où chaque groupe a suivi un chemin en se dotant de nouveaux caractères. Au fil de l’évolution, chaque innovation crée, non le progrès, non le mieux, mais la différence.

Les fossiles ont déjà permis de retracer les grandes lignes de l’histoire des vertébrés. Mais les espèces actuelles sont également de précieux indices pour “remonter dans le temps”. En effet, si plusieurs espèces partagent aujourd’hui une même innovation, c’est qu’elles l’ont probablement héritée d’un ancêtre commun. Leurs relations de parenté, ou phylogénie, sont aujourd’hui modélisées par les systématiciens sous forme d’arbres ou cladogrammes.