Évolution et grandes acquisitions de la vie








titreÉvolution et grandes acquisitions de la vie
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Traces de fission

Cette méthode consiste à compter les zones endommagées par la fission d'un isotope radioactif (e.g. l'Uranium 238) dans un cristal inclus dans une roche. La méthode vaut à toutes les échelles de temps, de quelques milliards à quelques dizaines de milliers d'années.
Thermoluminescence (TL)

Certains minéraux, comme le quartz, le feldspath, la calcite, piègent des électrons « célibataires » dans leurs défauts de structure. Chauffés, ils libèrent leurs électrons sous forme de lumière : c'est la thermoluminescence. Lorsque la thermoluminescence naturelle a disparu, on peut la réactiver en soumettant le minéral à une source radioactive. Ainsi est-il possible de mesurer le temps écoulé depuis la dernière chauffe du matériau. La perte de la luminescence (l'"extinction" du minéral) dépend de son espèce, des conditions de sa formation (cristallisation) et des évènements passés depuis.

La méthode permet de dater d’environ un million d'années à moins d’une centaine d’années.
Résonance paramagnétique électronique (RPE) ou résonance de spin électronique (RSE)

Les cristaux présentent des défauts de structure qui piègent des « électrons célibataires ». Soumis aux rayonnements, ces électrons absorbent de l'énergie et s'orientent selon un spin. Si on les soumet à un champ magnétique, on peut mesurer leur temps de réponse, qui dépend de leur orientation initiale. On calcule alors la quantité de radiations reçue depuis leur formation, et donc leur âge (d’environ 20 000 ans à un million d'années).
Dendrochronologie

Les cernes de croissance des arbres qui apparaissent annuellement dans le bois d'aubier (xylème secondaire) dépendent des conditions de leur formation : les années de sécheresse et d'abondance se succèdent dans une séquence définie, s'imprimant dans le bois comme une sorte de code barre.

En se référant à des troncs parfaitement datés dans une région donnée, on peut dater un échantillon de bois avec précision. Cette méthode de datation est valable pour des périodes ne remontant pas au-delà de 11 800 ans : elle ne s'applique pas à la paléontologie mais à l'archéologie.
Horloge moléculaire (E. Zuckerkandl et L. Pauling, 1965)

L'"horloge moléculaire" ne permet pas de dater les roches, les fossiles et les faciès, elle permet de dater les divergences entre les groupes, de situer dans le temps les embranchements significatifs des phylogénies, en les calant sur des repères géologiques ou paléontologiques correctement datés (calibrage). Pour évaluer le temps qu’il a fallu pour arriver à la configuration séquentielle actuelle, il « suffit » de dénombrer, dans deux groupes actuels, les substitutions dans la séquence des acides aminés (protéines) ou des nucléotides (ARN et ADN) et de leur appliquer un taux de substitution, supposé constant. Les protéines, expressions des gènes, évoluent : des phylogénies ont initialement été établies avec des protéines sanguines (cytochrome-c, globulines, fibrinopepides, histones, ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase…), puis les techniques ont permis de s'adresser directement aux gènes et aux acides nucléiques : ARN mitochondrial, ARN ribosomique, et ADN nucléaire. Les erreurs de copie des 4 lettres6 de l'alphabet génétique peuvent7 entraîner des changements dans la séquence des acides aminés et donc dans la structure des protéines. Ce sont ces erreurs de copie8 que l'on recherche. Or elles se produisent à des rythmes différents suivant les régions du génome, certaines étant plus stables que d'autres. En effet, le génome contient une grande part de gènes non codants ou pseudogènes9 et d'autres, qui codent pour des protéines (et des fonctions) plus ou moins vitales. Lorsque les pseudogènes mutent, c'est sans conséquence pour l'organisme qui les porte : ces mutations géniques seront retenues et s'accumuleront parce que transparentes à la sélection naturelle, qui n'aura pas de prise sur elles (variations neutres). Quant aux gènes transcrits, leur expression phénétique sera vue et filtrée par la sélection naturelle : si la mutation n'est pas viable (compatible avec la survie de l’organisme), elle ne sera pas conservée : ces parties du génome sont donc beaucoup plus stables. La situation intermédiaire est possible : un gène peut avoir une expression indifférente à la sélection (couleur des cheveux, ou des yeux).

Les mutations, aléatoires, sont imprévisibles, mais elles se produisent avec une certaine probabilité, et à un taux statistiquement constant (hors facteurs mutagènes10 surajoutés). Pour chaque protéine / gène on évalue un taux de mutations moyen, le nombre de mutations survenant par unité de temps.

Les séquences codant pour des protéines intervenant dans les mêmes fonctions (et donc soumises à la même pression de sélection) évoluent à des vitesses semblables, différentes de celles d’autres séquences. Le temps passant, les mutations s'accumulent à des niveaux qui sont du même ordre de grandeur dans des régions homologues du génome d'organismes différents. Ainsi, chaque région du génome accumule les mutations dans des quantités qui varient selon le tri sélectif auquel elle est soumise. On s’adressera aux régions les plus stables (celles qui codent pour les histones, par exemple) pour les périodes les plus anciennes, aux régions moyennement labiles (cytochrome-c) pour les périodes relativement récentes, et aux régions aux taux de mutation élevés (hémoglobines, sérumalbumine, fibrinopeptides, pseudogènes) pour les périodes récentes (niveaux taxonomiques infraspécifiques : les populations par exemple).

En pratique, on construit l’arbre phylogénétique sur la base des proximités (« qui est plus proche de qui ? ») et des ascendances communes (synapomorphies), sur cet arbre, on cale les fossiles ancêtres supposés et bien datés ; on estime la quantité des changements survenus entre deux taxons sur une séquence homologue du génome, on divise par le taux de mutation, et on divise par deux (chacun des deux taxons étant porteur d’une même quantité de changements) :


Nombre des différences moléculaires (mutations)

Taux d’accumulation des mutations

Temps écoulé depuis la divergence =


Nombre de mutations

Unité de temps

Taux de mutations =
Certaines précautions sont nécessaires pour réduire au maximum les erreurs : il faut utiliser le plus grand nombre possible de protéines (ou de chaînes génomiques), d'espèces, de repères chronologiques (calibration)…


C, D et E = espèces

B = ancêtre de C et D

A = ancêtre commun
Tc = temps connu pour passer de A à C

nc = nombre de mutations entre A et C

nb = nombre de mutations entre A et B

nd = nombre de mutations entre B et D

ne = nombre de mutations entre B et E
Statistiquement : nD  nB + (nD + nE) / 2
Tc, nc

C

A T, nd

D
nb B
T, ne

E
O
nD + nE

2 nC
n cherche le temps T nécessaire pour passer de B à D et E (temps de divergence) : T = TC x

Chronologie / Datation relative : la (chrono) stratigraphie
La datation relative des roches ou des fossiles fait référence à leur environnement géologique, elle repose sur le fait que les sédiments s'accumulent au cours du temps en formant des couches qui se superposent. La datation des couches, ou des objets qu'elles contiennent, s'appuie sur la comparaison de leurs contenus, notamment fossiles, mais aussi paléomagnétiques, volcaniques…, à des référentiels ou à des évènements connus.
Stratigraphie 

Étude des couches géologiques (strata) : origine, étendue, relations.

- Lithostratigraphie : une roche particulière définit la couche.

- Chronostratigraphie : un âge donné définit la couche. Un étage est une couche ou un ensemble de couches géologiques caractérisés par des fossiles marqueurs de leur époque (fossiles stratigraphiques). Deux couches géologiques présentant en commun un grand nombre de fossiles sont de même âge.

- Biostratigraphie : un assemblage de fossiles ou un fossile stratigraphique particulier définit la couche.
Lois (principes) stratigraphiques

Nicolas Sténon (1638-1686), un anatomiste et géologue danois, énonça les trois premières :

- Horizontalité originelle : les couches se déposent horizontalement.

- Superposition : les couches sédimentaires se superposent les unes aux autres dans un ordre chronologique, de sorte qu’une couche est plus récente que celle sur laquelle elle repose et plus ancienne que celle qu’elle supporte.

- Continuité latérale : une même couche est de même âge en tous points.

- Succession des faunes.

- Loi de corrélation des faciès ou loi de Walther, 1893 (Johannes Walther, 1860-1937) : les environnements sédimentaires contigus se recouvrent mutuellement dans le temps, en raison des phénomènes de transgression et de régression.
Faciès sédimentaire

Caractéristiques environnementales d'un ensemble sédimentaire. Les fossiles de faciès sont caractéristiques d'un milieu de vie particulier :

- Terrestre dulcicole : limnées, planorbes.

- Marin : échinodermes, céphalopodes, huîtres, rudistes, moules, brachiopodes, foraminifères.

- Récifal : coraux, rudistes, encrines…
Biostratigraphie

Etude de l’arrangement relatif des strates basée sur leur contenu paléontologique. La biostratigraphie permet de dater une couche, un objet dans cette couche, d'après les fossiles qu'elle contient.
Fossiles stratigraphiques, fossiles marqueurs ou index

D'évolution rapide, aux populations nombreuses et largement distribuées, ces fossiles caractérisent une époque géologique. Les Trilobites au Paléozoïque, les Ammonites au Mésozoïque, les Ongulés au Néogène, constituent de bons fossiles stratigraphiques. On définit des biozones, délimitées par la première et la dernière occurrence de fossiles marqueurs et/ou d'assemblages de fossiles.




Magnétostratigraphie (paléomagnétisme)

Les minéraux ferromagnétiques contenus dans les coulées volcaniques ou dans les roches détritiques (calcaires…) s'orientent suivant le champ magnétique terrestre du moment. Le champ magnétique s'est inversé à plusieurs reprises et on a établi des échelles d'inversions magnétiques pour chaque période.

On recherche, dans les sédiments, des concrétions contenant plusieurs inversions magnétiques et on les compare aux référentiels. La méthode permet de dater de plusieurs centaines millions d'années à aujourd'hui.
Marqueurs volcaniques

Les cendres volcaniques marquent sur de grandes étendues les sédiments dans lesquels elles viennent se déposer (à chaque éruption, son type de dépôt, ou cinérite). La méthode vaut pour les milieux continentaux et marins peu profonds.
Exemples de datation relative des roches selon les principes de la stratigraphie :


Épizootie (: au-dessus, : animal).

Une épizootie est aux animaux ce qu’une épidémie ( : peuple) est aux hommes : une maladie contagieuse qui se répand dans une population. Lorsque l’épidémie atteint une très grande partie de la population, on parle de pandémie et, chez les animaux, de panzootie (V : tout entier).

Extinction / Crise



Miroirs de Hubble

Miroirs disposés de telle sorte que des objets s'y reflètent à l'infini, donnant l'impression d'un espace illimité, d'un puits sans fond, figurant ici le "temps profond".
Origine de la vie

La question de l'origine de la vie est encore plus captivante et mystérieuse que celle de l'origine de la conscience11. Témoin, la difficulté à définir la vie, alors qu'il est plus facile de définir la conscience…

Les cosmogonies ont toutes un chapitre initial sur l'origine du monde, toutes différentes, toutes fausses.

Seules les méthodes scientifiques (observation, déduction, expérience, critique) peuvent apporter des éléments de réponse objectifs, donc vérifiables et critiquables.

La vie a-t-elle trouvé son origine sur ou hors de la terre ?

Selon Oparin (Alexandre Ivanovitch, 1894-1980), l'atmosphère terrestre initiale, réductrice, était composée de méthane et d'ammoniac ; son contemporain Haldane (John, 1892-1964) inventa quant à lui l'expression de « soupe prébiotique » pour désigner le milieu aquatique initial, riche en dioxyde de carbone… encore restait-il à tester ces recettes…

Expérience de Miller et Urey (1953)

Stanley Miller (1930-2007) et Harold Urey (1893-1981), puis leurs émules, reprennent la recette d'Oparin (CH4, NH3, H2, H2O) dans un dispositif fermé, soumis à des décharges électriques, rayons ultraviolets, chaleur…. Ils obtiennent divers composés carbonés et azotés, parmi lesquels quelques acides aminés et de l'adénine…

Mais l'atmosphère initiale n'était pas si riche en méthane, et beaucoup plus en CO2 (en raison notamment du dégazage des volcans) : la recette n'était pas (tout à fait) la bonne…

D'autres auteurs, fascinés par le spectacle des écosystèmes autour des fumeurs noirs (sources hydrothermales à grande profondeur) découverts il y a une trentaine d'années, imaginent que la vie a pu prendre son essor dans de tels milieux et sous de telles conditions. C'est une hypothèse…

D'autres auteurs encore n'envisagent pas une hypothèse endogène à la vie mais une hypothèse exogène : c’est la panspermie (exobiologie) :

Hypothèse due à Hermann von Helmholtz (1821-1894) de l’ensemencement de la vie sur terre à partir des queues de comètes, météorites et astéroïdes qui l’ont constituée (par bombardement et accrétion). Initialement tournée vers de véritables germes de vie12, elle se fonde aujourd'hui sur le fait que des molécules organiques, comme certains acides aminés (glycine) ou des bases pyrimidiques et puriques, entrent dans la composition de nombreuses météorites (météorites carbonées). Ces composés auraient pu se combiner avec des molécules terrestres pour aboutir à des formes vivantes.

Primates : Classification et évolution, lignée humaine.










Radiation (évolutive)

Diversification des formes vivantes (taxons, structures anatomiques) dans un groupe taxonomique et/ou à une époque et en un lieu donnés. Elle fait souvent suite à une phase d'extinction, qui libère des territoires entiers de toute concurrence, donnant à la variation biologique toute liberté de s'exprimer.

Une terre vierge s’offre à un groupe immigrant, une terre s’isole, avec son lot d’animaux et de plantes, un milieu (topographie et climat) nouveau s'ouvre à des espèces pionnières… En l’absence initiale d’une concurrence trop forte, les groupes présents occuperont peu à peu toutes les niches écologiques disponibles en se diversifiant : c’est la radiation évolutive13.

La radiation des marsupiaux en Australie est un exemple bien connu, mais il y a eu d'autres radiations : celles des lémuriens à Madagascar, des xénarthres en Amérique du Sud, des afrothériens en Afrique, des bovidés dans les savanes ou les steppes d’Asie et d’Afrique (radiations géographiques), et celles des dinosaures*, des ammonites et des rudistes* au Mésozoïque, des trilobites au Paléozoïque, la faune de Burgess au Cambrien*, la faune d’Ediacara* au Protérozoïque…
Nota bene : le caractère « explosif » de la radiation du Cambrien, comme celui de la radiation des Mammifères au Cénozoïque, sont contestés. Les groupes ont évolué à bas bruit aux périodes précédentes, ne laissant pas de fossiles, ou très peu. « Absence de preuves n'est pas preuve », les précurseurs n'ont pas été enregistrés dans les archives fossiles, ils peuvent être beaucoup plus anciens que la limite inférieure de la période, ainsi que l'horloge biologique* le laisse penser. Cela n'enlève rien à la qualité de la radiation constatée : elle peut être tout simplement antérieure à ces époques – et plus étalée dans le temps, donc moins "explosive".
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