Chapitre 3 Biodiversité et évolution

Chapitre 3 : Biodiversité et évolution

Mme ROCHE Collège Jas de Bouffan Collège Louis Philibert

L’écosystème forestier

La biodiversité représente la diversité du monde vivant. Elle se définit à plusieurs niveaux :

• Celle de l’écosystème (=ensemble formé par un milieu de vie et ses êtres vivants ainsi que leurs interactions)
• Celle de l’espèce
• Celle de l’individu.

Chaque espèce est importante car elle interagit avec d’autres.

La notion de biodiversité

Problème : La biodiversité observée actuellement a-t-elle toujours existé? Comment peut-on reconstituer la biodiversité passée?

Hypothèse :

I/ La biodiversité au cours des temps géologiques

Activité 1 : La reconstitution de paysages anciens

LES GRES A VOLTZIA

Document 1 : La localisation des grès à Voltzia

Carrière d’observation des grès à Voltzia

Document 2 : Comment se forme un fossile ? Un fossile, c'est une trace, une très vieille trace, de vie. Et si l'on pense plutôt aux ammonites ou aux os de dinosaures quand on parle de fossiles, en réalité, tout (ou presque) peut se fossiliser, des os aux feuilles, en passant par les empreintes, le bois, les plumes, les écailles et les coquilles. Bien sûr, il faut quelques conditions, et pas des moindres : beaucoup de temps, beaucoup de sédiments, et quelques autres contraintes chimiques et géologiques. Pour comprendre comment se forment les fossiles, il est nécessaire d'expliquer déjà pourquoi, la plupart du temps, les animaux morts ne se transforment pas en sculptures archéologiques mais disparaissent, tout bonnement. En général, quand un animal meurt, il est aussitôt dévoré par de multiples congénères, et là, évidemment, point de fossilisation possible. Mais parfois, le cadavre n'a pas le temps d’être consommé : au gré des aléas géologiques du moment, aussitôt mort et aussitôt recouvert de sable, boue ou autres sédiments. Ainsi enterré, il devient inaccessible aux charognards. L'oxygène décompose alors les parties molles. Ne restent donc que les os ou autres parties dures. Puis, peu à peu, d'autre sédiments le recouvrent et l'enfouissent. C'est là qu'intervient la condition 2 : si le fossile continue de s'enfoncer, recouvert par les couches successives de sédiments, la chaleur et la pression des profondeurs finissent par le détruire. Résultat : plus de fossile. En revanche, si au gré des mouvements géologiques, le fossile remonte, il peut alors s'approcher de la surface et se révéler une trouvaille miraculeuse pour l'archéologue en quête de traces de la vie passée qui justement agitait ses outils à cet endroit.

Document 3 : Le principe d’actualisme L’actualisme est une théorie admettant que les phénomènes géologiques ou biologiques passés ont les mêmes causes et les mêmes effets que les phénomènes actuels de même nature. Exemple : on admet que les couches sédimentaires anciennes superposées se sont déposées successivement comme se déposent aujourd’hui les sédiments en couches successives, ou encore on admet qu’un poisson aujourd’hui disparu avait une écologie semblable à celle des poissons actuels qui lui sont proches.

Document 4 : Les grès à Voltzia Les grès à Voltzia sont situés dans les Vosges (245 millions d’années environ). Chaque banc de grès correspond au dépôt d’une crue d’une plaine alluviale aride. Les intercalations argileuses de cette formation gréseuse ont livré des fossiles admirablement conservés d’animaux aquatiques d’eau douce ainsi qu’une faune et flore terrestres peuplant un ancien delta. La végétation dominante était constituée par des conifères. Voltzia ne dépassait guère la taille d’un arbuste.

Diptéronotus

Rides fossiles

Scorpion fossile

Reconstitution du l’environnement fluvio-deltaïque du grès à Voltzia 1- Amphibiens stécocéphales. 5- Fougères Anomopteris 2- Conifères Voltzia. 6- Fougères Neuropteridium 3- Lycophytes Pleuromeia 4- Conifères Yuccites

LA DALLE A AMMONITES DE DIGNE-LES-BAINS

Document 1 : La localisation de la Dalle à Ammonites

Dalle à Ammonites

Document 4 : La Dalle à Ammonites de Digne-les-Bains Située dans les Alpes de Haute Provence, c’est un site naturel remarquable constitué d’une strate rocheuse contenant un très grand nombre d’ammonites fossilisées. Cette dalle inclinée à 60° est composée de calcaire. Elle présente environ 1500 ammonites dont 90% sont de l’espèce Coroniceras multicostatum datant du Jurassique inférieur (environ 170 Ma). Ces ammonites peuvent atteindre un diamètre de 70 cm. Dans la dalle, on peut également observer des belemnites, des pectens, et d’autres bivalves.

Fossiles de Pecten

Autres fossiles de bivalves

Rostre de belemnites

Dalle à Ammonites

Nautile

Document 5 : Le milieu de vie du Nautile Les nautiles sont les seuls céphalopodes actuels à posséder une coquille externe. Leur coquille a pour rôle d’assurer la flottabilité de l’animal. Comme les seiches ou les calmars, ils présentent un bec corné et de nombreux tentacules. Actuellement, ils sont présents uniquement au large de l’océan Pacifique et de l’océan Indien et peuvent atteindre des profondeurs de 600 à 800 mètres le jour. Pendant la nuit, en saison froide, ils remontent entre 7 et 10 mètres. Les nautiles se nourrissent également de petits crustacés.

Reconstitution de paléoenvironnement à Digne-les-bains

Bilan 1 : L’étude des fossiles permet de reconstituer les êtres vivants et les écosystèmes du passé ou paléoenvironnement. Les fossiles correspondent à des traces ou des restes d’organismes vivants ayant vécu dans le passé. Les êtres vivants meurent puis sont recouverts de sédiments. Au fil du temps, ces êtres vivants sont devenus des fossiles que l’on a ensuite retrouvés dans des roches sédimentaires : ce sont des témoins de la biodiversité du passé.

Définitions : Fossile : restes d’êtres vivants ou empreintes conservées dans une roche sédimentaire. Paléoenvironnement : environnement ancien et les organismes qui y vivent. Roche sédimentaire : roche formée par l’accumulation de sédiments. Sédiment : ensemble de particules déposées dans un bassin (lac, mer, océan) Principe d’actualisme : principe supposant que les évènements du passé se déroulent de la même façon que maintenant.

La formation d’un fossile

Exercice en ligne

Activité 2 : La vie à deux périodes de l’histoire de la Terre

Photo des shistes de Burgess (gisement présent au Canada)

Document 1 : L’explosion de la vie au Cambrien (540-500 Ma) : Le gisement de Burgess Dans les sédiments qui datent d’avant 550 Ma (millions d’années), les géologues n’ont pu trouver que des restes de bactéries. Mais en 1909, un géologue américain découvre au Canada un site d’une richesse surprenante dans les schistes de Burgess (datés du Cambrien). Les schistes de Burgess constituent l’un des rares gisements qui ont conservé les parties molles d’animaux ; en règle générale, les parties molles des animaux sont consommés par les animaux fouisseurs et les bactéries du fond des mers. La fossilisation des parties molles se fait lorsque : Les cadavres sont enfouis rapidement L’enfouissement se fait en absence d’oxygène et d’organismes tels que bactéries et charognards ; Et bien sûr de conditions de température, pression permettant la conservation des fossiles. La faune de Burgess était installée à proximité d’un récif sur une pente instable sujette à de fréquents glissements de terrain. Les avalanches sous-marines qu’ils provoquaient balayaient le fond et entraînaient et tuaient les êtres vivants. Les sédiments se déposaient alors en ensevelissant rapidement les cadavres à l’abri de l’oxygène. Les animaux ont été conservés entiers souvent aplatis par la fossilisation. En décapant successivement les couches de schistes, les géologues se sont livrés à de véritables dissections des fossiles.

La vie à deux moments de l'histoire de la Terre

Une reconstitution du site marin de Burgess (-540 -500 Ma = Cambrien)

Principaux organismes vivants au Cambrien

Reconstitution d’un paysage marin au crétacé (-145 à -65 Ma)

Document 2 : Comparaison de la faune et de la flore à deux périodes (Cambrien 540 Ma -500 Ma et le Crétacé 145 Ma – 65 Ma)

Groupes

Cambrien (540-500 Ma)

Crétacé (145-65 Ma)

Végétaux (algues)

Animaux à corps mou sans coquille

Mollusques

Arthropodes

Trilobites

Odaria

Crustacés

Vertébrés

Poissons cartilagineux

Poissons osseux

Diapsidés marins (plésiosaures, Ichtyosaures)

Animaux non classés actuellement

Anomalocaris

Pikaia

Opabinia

Hallucigenia

Bilan 2 : Les fossiles présents dans les roches sédimentaires permettent de reconstituer la biodiversité du passé, différente de la biodiversité actuelle : ce sont des archives géologiques. Ainsi au cours des temps géologiques de nouveaux groupes apparaissent, se diversifient, régressent ou disparaissent.

Activité 3 : L’évolution du vivant au cours des temps géologiques

Document 1 : Des crises de la biodiversité au cours des temps géologiques

Document 2 : Les causes probables de la disparition des dinosaures

Vidéo à regarder

Document 3 : Une crise de la biodiversité (il y a 65 Ma)

Document 4 : Une sixième crise de biodiversité ? Extrait de la conférence d’Eric Vidal, le 22 mai 2015, en vue de la COP 21. « Les scientifiques s’accordent assez largement pour dire que la biodiversité, notamment terrestre, connaît actuellement une crise majeure d’extinction à l’échelle planétaire. Deux différences essentielles semblent cependant différencier la crise actuelle des cinq grandes crises précédentes qui ont ponctué la vie sur Terre :

• Des causes majoritairement anthropiques et non géologiques ; et
• Une rapidité et une ampleur nettement supérieures. »

Vidéo à regarder

Bilan 3 : Le renouvellement des espèces peut se faire progressivement. Mais il arrive que l’évolution s’effectue par à-coups lors de grandes crises de la biodiversité. On observe alors des extinctions massives suivies par des explosions évolutives où l’on observe une diversification rapide des groupes. Ces crises sont utilisées pour découper l’échelle des temps géologiques. On peut parler de la 6° crise de la biodiversité aujourd’hui liée aux activités humaines.

Définitions : Crise de la biodiversité : disparition massive d’espèces dans un temps géologique relativement court (quelques millions d’années) et à l’échelle mondiale. Explosion évolutive : diversification intense des espèces dans un temps géologique relativement court (quelques millions d’années).

Exercice en ligne

Au cours des temps géologiques, des espèces sont apparues, d’autres ont disparu. L’histoire de la vie est marquée par le renouvellement des espèces au cours du temps, c’est l’évolution.

Ouistiti

Chauve-souris

Chats

tyranosaure

Pigeon

Grenouille

Être humain

Triceratops

Sauropode

Problèmes : Toutes les espèces actuelles et fossiles sont-elles apparentées? Quels sont leurs liens de parenté?

II- Les liens de parenté entre les espèces

Activité 4 : Une origine commune

Document 1 : Observation microscopique de différents tissus d'êtres vivants

Cellules de l'épiderme de grenouille (X400)

Cellules de l'épiderme d'oignon (X400)

Cellules de l'épithélium buccal (X400)

Document 2 : Tableau de comparaison de quelques caractéristiques d’êtres vivants

Document 3 : L’organisation des membres antérieurs de quatre espèces de vertébrés

Document 4 : Représentation hypothétique de LUCA (ici avec un noyau)

LUCA = Dernier ancêtre commun universel en français (Last Universal Common Ancestor). C’est le nom que les scientifiques ont donné dès 1996 à un être vivant théorique, unicellulaire, qui serait à l’origine de tous les êtres vivants actuels de notre planète et qui serait apparu il y a 3,5 milliards d’années. Ce n’est pas le premier être vivant, mais c’est l’ancêtre de toutes les formes de vie actuelles et fossiles sur Terre. C’est pourquoi, il devait posséder certaines caractéristiques que nous retrouvons actuellement chez tous les êtres vivants : une membrane, du cytoplasme et des inclusions cytoplasmiques. La présence d’un noyau chez LUCA est actuellement débattue au sein de la communauté scientifique.

Bilan 4 : Toutes les espèces actuelles ou fossiles ont des caractères communs :

• Elles sont toutes constituées de cellules
• Elles possèdent toutes de l’ADN comme support de l’information génétique.

De plus, il existe des structures communes dans certains groupes qui implique une origine commune (ex: le membre antérieur des vertébrés).

Exercice : l’apparition de la vie sur Terre

L'apparition de la vie sur Terre

La formation de la Terre

Exercice : Quelle influence l’apparition de la vie a-t-elle eu sur l’atmosphère terrestre?

Des bactéries aux premiers organismes complexes

Exercice en ligne

Activité 5 : Etablir des parentés entre espèces actuelles

Aujourd'hui d'après les scientifiques, le crocodile serait plus proche du pigeon que du lézard. Pourtant, le crocodile ressemble plus au lézard qu'au pigeon. Comment peut-on l'expliquer?

Lien du logiciel phylogène à télécharger (version collège) ou sur tablette dans le centre de logiciel

Tableau des attributs (caractéristiques)

Document 2 : Classification en groupes emboîtés

Document 3 : Arbre de parenté de quelques espèces actuelles

Bilan 5 : La classification scientifique des êtres vivants est fondée sur les relations de parenté entre les espèces. Ces relations sont établies à partir de caractères partagés (ou attributs). Deux représentations de cette classification sont possibles : en groupes emboîtés ou en arbre de parenté (arbre phylogénétique). Ainsi, plus le nombre de caractères partagés est important, plus leur lien de parenté est grand.

Activité 6 : La parenté entre les organismes actuels et fossiles

Photographie de la grande Galérie de l'évolution du museum d'histoire naturelle de Paris

Une Réplique du spécimen d'Archeopteryx (165 Ma) de Berlin reçue à la galerie de l'évolution

Dans la galerie de l’évolution, les différents organismes sont disposés en fonction de leur degré de parenté. Ainsi, plus deux organismes sont proches dans la galerie et plus leur parenté est grande.

Où placer la reconstitution de l'Archeopteryx dans l'évolution des êtres vivants?

Lien du logiciel phylogène à télécharger si non installé sur les tablettes

A l’aide du logiciel phylogène et de la collection « vertébrés actuels et fossiles », aider le responsable de la galerie à placer correctement la reconstitution de l’Archeoptéryx dans la galerie de l’évolution. Pour cela : - construire la classification en groupes emboîtés et l’arbre de parenté des 6 espèces étudiées en fonction des attributs suivants : squelette osseux, fenêtre mandibulaire, plumes, ailes, mâchoire inférieure en un seul os. - Compléter l’arbre de parenté distribué en indiquant le nom des espèces, l’âge des espèces fossiles, les attributs et les groupes emboîtés sur l'arbre. - Répondre au responsable de la galerie en justifiant la réponse.

Représentation possible de l'Archeopteryx (-165Ma)

Arbre de parenté à compléter à l'aide du logiciel phylogène

Sous-titre

Correction de l'arbre phylogénétique

Bilan 6 : les espèces fossiles et les espèces actuelles sont placées sur un même arbre de parenté. Les noeuds présents sur l'arbre représentent des ancêtres communs hypothétiques : ce ne sont pas des organismes fossiles. Un arbre de parenté permet donc de situer l'apparition des caractères nouveaux au cours du temps et le maintien des caractères ancestraux que possède un groupe depuis le début de son histoire. Il traduit l'évolution des espèces.

Vidéo à regarder

Exercice : Classification de quelques espèces végétales

Exercice : Comprendre la notion d'évolution

Document 2 : Arbre phylogénétique (arbre de parenté) des équidés

Document 1: Evolution au sein du groupe des équidés

Activité 7 : La place de l’Homme dans l’évolution

On entend souvent dire où on lit parfois que l'Homme "descend du singe"

Montrer à l'aide du logiciel phylogène et de la collection primate collège et des documents proposés que cette affirmation est fausse.

Arbre de parenté de quelques espèces de vertébrés à compléter

Groupes emboîtés et arbre de parenté obtenu avec le logiciel phylogène

Arbre phylogénétique de quelques espèces de mammifères complété

Document 2 : Quelques fossiles rattachés au groupe des humains

Document 3 : Le groupe des humains

Le groupe des humains est un ensemble d'espèces à bipédie prolongée, comprenant l'espèce actuelle Homo sapiens et les espèces fossiles (qui ont pu d'ailleurs coexister avec Homo sapiens). La rareté des restes fossiles (quelques fragments parfois) rend difficile l'établissement des relations au sein du groupe des humains

Cet arbre montre que plusieurs espèces d'Hominidés ont peuplé notre planète. L'apparition de l'espèce Homo sapiens résulterait d'une évolution complexe et non de la transformation progressive d'une espèce en une autre. De nombreuses incertitudes subsistent. Pour certaines espèces mal connues, on ne dispose par exemple que d'un fragment de squelette.

Bilan 7 : L'Homme moderne (Homo sapiens) est une espèce de primate appartenant à la famille des Hominidés. Il partage de nombreux points communs avec les grands singes. l'Homme résulte comme toutes les autres espèces d'une série de transformations au cours de l'évolution à partir d'un ancêtre commun partagé avec les chimpanzés. Le groupe des Hominidés réunit l'Homme actuel, tous les fossiles apparentés et les grands singes. L'être humain est un élément de la classification des êtres vivants et tient une place dans l'arbre du vivant actuel.

Vidéo à regarder

Exercice 1 en ligne

Exercice 2 en ligne

Au cours des temps géologiques, de nouvelles espèces apparaissent et acquièrent de nouveaux caractères.

Comment s'effectue l'apparition d'un nouveau caractère et l'apparition d'une nouvelle espèce?

III/ Les mécanismes de l'évolution

Activité 8 : L'apparition d'une nouvelle espèce

Aujourd'hui, vivent dans le métro londonien des moustiques morphologiquement semblables aux moustiques de surface. Comme les deux populations de moustiques ne peuvent pas se reproduire entre elles, elles appartiennent à deux espèces différentes.

Consigne : Retrouver les innovations évolutives propres à l'espèce du métro londonien et expliquer quels mécanismes évolutifs à favoriser l'apparition de cette nouvelle espèce.

Document 1 : Carte d’identité du moustique de surface : Culex pipiens pipiens Attribut de classification : 6 pattes Caractéristiques : ils piquent préférentiellement les oiseaux, présentent une période de vie ralentie en hiver et s’accouplent dans les espaces ouverts.

Document 2 : Carte d’identité du moustique de Londres : Culex pipiens molestus

Attribut de classification : 6 pattes Caractéristiques : issus d’une population unique de moustiques de surface qui a été isolée dans le métro lors de sa construction il y a une centaine d’années, ils piquent surtout les mammifères comme l’être humain et ou le rat, n’ont pas de période de vie ralentie et s’accouplent dans des espaces fermés. Bien que morphologiquement semblables aux moustiques de surface, ils ne peuvent pas se reproduire avec eux. Il s’agit donc d’une autre espèce.

Document 3 : Apparition d’un nouvel allèle par mutation

Il arrive que l’ADN subisse des modifications naturelles de ses gènes, appelées mutations, qui se produisent au hasard et permettent l’apparition de nouveaux allèles. Si elles interviennent dans des cellules reproductrices, elles peuvent être transmises aux descendants qui porteront alors dans toutes leurs cellules le nouvel allèle.

Document 4 : Le mécanisme de l'évolution selon Charles Darwin

Bilan 8 : Les mutations de l’ADN sont responsables de l’apparition de caractères nouveaux et donc de la diversité génétique des individus d’une espèce. Les individus porteurs de caractères avantageux dans un milieu donné survivent mieux et ont plus de descendants si bien que leurs caractères se répandent dans la population : c’est la sélection naturelle. Une nouvelle espèce naît lorsque les individus de deux groupes ont divergé et ne peuvent plus se reproduire. A l’échelle des temps géologiques, l’évolution des espèces au sein des groupes se réalise sur des millions d’années.

Définitions : Population : ensemble d'individus d'une même espèce vivant dans un milieu donné à un instant donné. Sélection naturelle : évolution de la fréquence d'un allèle dans une population sous l'effet du milieu. Dans un milieu donné, certains allèles "avantageux" seront transmis préférentiellement à la génération suivante pour favoriser la survie de la population.

Vidéo à regarder sur la notion de sélection naturelle

Pour aller plus loin : quelques vidéos sur Charles Darwin

Schéma bilan : La biodiversité et l’évolution