Classification des êtres vivants : de la morphologie au séquençage de l'ADN

2008/02/01 Etxebeste Aduriz, Egoitz - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

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(Photo: N. G.W. de Kurz Rouse/Tree of Life Web Project)

a.C. Vers l'an 350 Aristote a fait une classification des êtres vivants. Il les divisa en deux groupes: le règne animal et celui des plantes. Il a également utilisé le terme espèce. Cependant, la taxonomie réelle XVIII. On peut dire qu'il est né au XXe siècle de la main du suédois Lineo. Lin voulait classer les plantes, les animaux et les minéraux créés par Dieu.

Selon les mentalités de son temps, Dieu créa les choses avec un plan ou un ordre. Et il semble que le but de Line était de trouver cet ordre. Il a ainsi étudié les caractéristiques morphologiques et créé une classification hiérarchique tenant compte des similitudes et des différences. Dans son livre Species Plantarum, il décrit les espèces végétales, regroupant en genres des espèces similaires, avec des caractéristiques communes, et, à leur tour, les genres en familles. De plus, pour désigner chaque espèce, il a utilisé le nom binomial latin --Genre spécifique -. Aujourd'hui, ces noms sont encore utilisés par des scientifiques du monde entier pour appeler une espèce de la même manière, et les bases de la taxonomie actuelle sont également celles établies par Line.

Cependant, avec la théorie de l'évolution de Darwin, la philosophie de classification des êtres a changé. En fait, selon la théorie de l'évolution, de certaines espèces à d'autres ont émergé tout au long de l'histoire de la vie, de sorte que, plutôt que de connaître les plans de Dieu, de Darwin a été cherché une classification qui reflète cette histoire de la vie - phylogénique -.

La classification des êtres vivants prend la forme d'un arbre appelé arbre phylogénétique. À l'une des extrémités de l'arbre se trouvent les ancêtres ou ancêtres de tous les êtres vivants, et à l'autre extrémité toutes les espèces actuelles. Dans cet arbre, les espèces ne sont pas recueillies en genre uniquement pour leurs caractéristiques similaires, mais pour leur provenance, et ont donc des caractéristiques similaires.

Sur la trace de la morphologie

Ces quatre animaux sont mollusques. Cela signifie que les caractéristiques morphologiques des quatre ont émergé de l'évolution du même ancêtre.

macrophile; sarae; D. Burdick/NOAA; J. Petersen

Les caractéristiques morphologiques ont longtemps été les principales traces des taxons pour pouvoir construire l'arbre de vie. Mais la classification des êtres par ces caractéristiques n'est pas une tâche simple. Par exemple, nous verrons à l'œil nu que les escargots et les limaces ont des caractéristiques similaires, ou des chipirons, des txokos et des poulpes. Mais pour voir que tous, à un autre niveau, ont la même origine, il faut regarder plus en profondeur. Ils sont tous mollusques parce qu'ils ont le même modèle d'organisation de base. Les caractéristiques des escargots, des coups, des chipirons, des poulpes ou des moules peuvent être expliquées par l'évolution des caractéristiques supposées d'un ancêtre hypothétique de tous les mollusques.

Pour arriver à ce type de conclusions, il faut analyser plus que les caractéristiques qui sont en vue. Par exemple, on trouve souvent des indices utiles dans les premières phases de développement des êtres vivants. Par exemple, nos ancêtres avaient la queue et nous avons aussi dans un état embryonnaire. Ou les embryons des baleines, comme le reste des mammifères, développent d'abord quatre pattes puis disparaissent presque.

En outre, vous devez être très prudent avec de fausses traces. Dans de nombreux cas, au cours de l'évolution, différentes espèces ont obtenu des caractéristiques similaires par différentes voies. C'est ce qu'on appelle les convergences évolutives, comme les ailes des oiseaux et des chauves-souris, ou les structures en forme de nageoires que les animaux aquatiques ont développées différemment. Il est parfois clair que les êtres ayant des caractéristiques similaires n'ont pas de relation, car ils ont beaucoup d'autres caractéristiques différentes. Cependant, à d'autres moments, il n'est pas facile de savoir si certaines caractéristiques ont ou non la même origine, et si elles sont utilisées pour construire phylogénie, vous pouvez penser que les groupes éloignés les uns des autres sont proches.

Au contraire, les êtres morphologiquement simples, comme les nématodes, offrent très peu de traces. Ce type de groupes causent de grands casseroles de tête aux taxonomiques. Et ne disons pas dans le cas des micro-organismes. Il est souvent très difficile de les classer par des caractéristiques morphologiques.

Ainsi, bien que beaucoup a été travaillé sur la construction de phylogénie basé sur la morphologie, il a ses limites. Et sur certains points, il y a de grandes difficultés à avancer seulement avec la morphologie.

Les animaux ailés ont développé leurs ailes par différentes voies.

Fichier; Dr. Hemmert; Fichier

Histoire de la vie dans le génome

Au cours des 30 dernières années, les techniques moléculaires basées sur l'ADN ont été révolutionnaires dans la classification des êtres vivants. En définitive, les changements dans l'évolution sont reflétés dans le génome des êtres vivants, de sorte que l'information contenue dans le génome peut être d'une grande utilité pour l'étude de la phylogénie.

Phylogénomique est l'étude de la phylogénie à partir de grandes quantités de données génétiques. Les techniques de séquençage automatique PCR et ADN, par exemple, permettent d'amplifier et de séquencer de nombreux gènes de manière relativement simple et rapide. Ainsi, les génétiques frappent et séquencent l'ADN. Ils ont déjà séquencé des génomes complets d'environ mille espèces et chaque mois des génomes séquentiés de plus d'espèces sont publiés. Et en comparant les séquences de ces génomes – ou de certains genres – on construit des phylogénies moléculaires.

Au fil du temps, des mutations ou des changements se produisent dans le génome. Ces changements auront parfois des conséquences décisives et progresseront ou non en fonction de la sélection naturelle. Mais beaucoup d'autres changements n'ont pas de conséquences significatives. Par exemple, dans les gènes, il y a des régions qui ne codent pas les protéines: les intronas. Les changements qui se produisent dans ces zones, dans la plupart des cas, n'affectent pas la sélection, de sorte qu'ils s'accumulent tout au long de l'évolution. Il en va de même pour l'ADN mitochondrial, où de nombreux changements sont accumulés, l'ADN mitochondrial est très utilisé dans la taxonomie moléculaire. Les groupes proches les uns des autres subiront des changements similaires accumulés, de sorte que leurs séquences d'ADN seront très similaires.

Les techniques moléculaires ont permis de grands progrès dans les classifications des micro-organismes. L'étude de la diversité des bactéries réalisée il y a 10-15 ans par des séquences d'ADN a donné des résultats surprenants. La prise d'échantillons de différents moyens et l'amplification et séquençage des gènes de l'ARN ribosomique (SSU) ont permis d'observer que la quantité de séquences de feu variées était entre 20 et 100 fois supérieure à celle observée jusqu'alors dans des études basées sur des cultures. De plus, même si certaines de ces séquences étaient semblables à celles des bactéries connues des cultures, d'autres étaient assez différentes pour suggérer différentes lignes évolutives sans représentants connus.

Les techniques moléculaires ont pris une grande importance dans la taxonomie des micro-organismes.

ANDÉN

Et, malgré les controverses qu'elle engendre, la taxonomie basée sur l'ADN revêt une importance croissante pour le reste des êtres vivants. Il a ses problèmes, mais aussi ses avantages par rapport à la taxonomie classique. D'une part, ils sont très utiles pour clarifier beaucoup de choses qui ne peuvent pas être clarifiées avec des caractéristiques morphologiques, et d'autre part, beaucoup plus rapide que d'effectuer des études morphologiques.

Malgré le débat, il semble que dans la taxonomie la génétique devancera la morphologie et que, dans les séquences de l'ADN, nous pourrons lire de nombreux passages sur l'histoire de la vie.

Raul Bonal: "les débats surgissent parce que les taxonomes classiques ont vu la phylogénie moléculaire comme une menace"

Au Département d'Entomologie du Natural History Museum de Londres, une équipe de chercheurs dirigée par Alfried Vogler enquête sur la phylogénie des scarabées basée sur le séquençage de l'ADN. En fait, ils ont récemment publié un arbre phylogénétique élaboré avec 1900 espèces de scarabées. Le Dr Raúl Bonal est un chercheur de cette équipe qui a répondu avec très bonne volonté à nos questions.

Il semble que les techniques moléculaires renforcent la taxonomie. C'est indéniable, non ?

Oui, c'est vrai, les techniques moléculaires révolutionnent la taxonomie. Grâce aux techniques développées ces dernières années, il est relativement facile de séquencer l'ADN. Et en comparant les changements qui ont eu lieu tout au long de l'évolution dans différents gènes, on peut classer les êtres.

Les techniques moléculaires permettent de résoudre en grande partie certains problèmes de la taxonomie classique, tels que les convergences évolutives. Cependant, les phylogénies moléculaires présentent également des problèmes similaires: parfois un changement produit par une mutation peut être restauré par une autre, et dans ces cas nous ne détecterons aucun changement, où deux changements ont effectivement existé.

D'autre part, il est possible de connaître la biodiversité d'un lieu rapidement, en séquençant et en classant l'ADN des êtres trouvés. En outre, il est très utile d'identifier certaines phases du cycle de vie de certains êtres. Par exemple, les larves de nombreux insectes n'ont pas de clé d'identification et peuvent être identifiées en comparant leur ADN avec l'ADN des adultes identifiés. De même avec des espèces différentes (cryptiques) qui ne peuvent pas être divisées morphologiquement, ou qui, étant morphologiquement différentes, sont la même espèce. Dans ces cas, il est très utile de séquencer ADN.

(Photo: S. Huttes)

Mais la taxonomie moléculaire génère de grandes controverses...

Je pense que les controverses sont dues, plutôt qu'à des problèmes techniques, que les taxonomes classiques ont vu la phylogénie moléculaire comme une menace. Par exemple, un taxonomique classique, expert dans un groupe d'insectes, dont le travail doit être respecté et estimé, n'aime pas que des scientifiques d'un autre domaine, comme le génétique, commencent à parler de nouvelles espèces. Ils sentent qu'ils envahissent leur propre.

En outre, l'apparition de nouvelles espèces est à grande vitesse et sont souvent utilisées dans les phylogenias sans donner de nom ni les décrire. Cela n'aime rien les classiques. Cependant, le nombre de nouvelles espèces qui se concentrent dans certains endroits de la planète est si élevé qu'il est très difficile de faire une description morphologique avant la construction de la phylogénie.

En bref, je pense que c'est un affrontement entre écoles et professionnels différents.

L'un des principaux problèmes de la taxonomie a toujours été le problème de la définition correcte de l'espèce. La génétique résoudra ce problème ?

Dans ce chromatogramme d'ADN, on peut comparer les séquences d'ADN de six individus.

(Photo: Moléculaire Systematics Group, Dept. Entomology, NHM)

Définir ce qu'est une espèce est très difficile. La définition classique "dure" dit que les différentes espèces ne peuvent pas être croisées et que si les hybrides suivants sont croisés, ils doivent être stériles. Mais en réalité, cela ne s'accomplit pas toujours. Par exemple, les fameuses txontas de Darwin sont considérées comme des espèces différentes. C'est pourquoi l'espèce est définie à partir d'un ensemble de populations qui partagent des caractéristiques et qui interagissent spatio-temporairement.

Les phylogénies moléculaires tiennent compte de cette dernière définition. Dans l'arbre phylogénétique, réalisé en comparant les séquences d'ADN, on peut calculer, à travers des calculs statistiques et des modèles d'évolution moléculaire, où commence la spéciation. Autrement dit, on peut dessiner une ligne qui coupe les branches de l'arbre à une certaine hauteur, et les individus qui restent là ensemble appartiennent à la même espèce. Au contraire, les branches qui se forment à partir de là indiquent la diversité génétique d'une même espèce.

Le concept d'espèce est discutable en biologie, mais l'efficacité de cette forme de détermination des espèces par des séquences d'ADN est démontrée. Dans les cas où le test a été effectué avec des espèces connues, des résultats très similaires ont été obtenus de manière classique.

Les classifications basées sur l'ADN mettent-elles de côté la morphologie ?

Peut-être parce que je pense qu'ils doivent venir nous parler ou je pense que non. Il est vrai que la génétique est beaucoup plus rapide. Beaucoup de gens ne réalisent pas combien d'espèces il y a à découvrir. Dans les insectes, par exemple, on estime qu'il peut y avoir dix millions d'espèces et aucun dixième n'est connu. En ce sens, la morphologie ne peut pas rivaliser avec la génétique.

Les scarabées du genre Curculia percent et pondent leurs œufs dans les glands.

(Photo: R. Bonal)

Mais je ne pense pas qu'il faut abandonner la morphologie. La description morphologique des espèces est importante. On peut aussi réaliser des phylogenias combinant des caractéristiques moléculaires et morphologiques. De plus, bien que le séquençage de l'ADN soit de plus en plus accessible aux scientifiques, il n'est pas à la portée des naturalistes amateurs, il est donc bon d'avoir des clés morphologiques. En outre, la connaissance des taxonomes classiques ne peut pas être manquée. Et ici, je veux dénoncer qu'il est en train de perdre parce que dans de nombreux musées il n'y a pas de nouvelles places pour ce type de professionnels.

Que pensez-vous du code à barres génétique ?

C'est une idée intéressante et attrayante, presque comme dans les supermarchés : passer un être par un détecteur et dire quelle espèce est le détecteur...

Comme mentionné au début, il a plusieurs problèmes. L'idée était de séquencer un même gène pour toutes les espèces et ainsi utiliser une séquence déterminée comme identificateurs de chaque espèce. Mais les espèces sont définies selon la classification classique. De cette façon, les problèmes de la taxonomie morphologique sont maintenus et les mêmes erreurs sont commises. En outre, pour les espèces cryptiques qui ne diffèrent pas morphologiquement mais qui ont une séquence génétique différente, quel critère faut-il prendre ?

Je pense qu'il est plus approprié de faire la phylogénie sur la base de l'ADN, et ainsi utiliser la classification réalisée pour fixer le code-barres correspondant à chaque espèce.

Les études d'ADN sont très utiles pour identifier les larves de nombreux insectes.

(Photo: Entomart)

Vous travaillez avec des coléoptères. C'est le plus grand groupe d'insectes avec une grande diversité morphologique. Quels sont les avantages des techniques moléculaires dans le cas des coléoptères ?

Pour les caractéristiques qu'il mentionne, le groupe de coléoptères est l'un des groupes qui se distingue le plus par les avantages mentionnés ci-dessus. Avec un si grand nombre d'espèces, beaucoup ne sont pas connues ou mal connues, et dans la taxonomie classique il y a beaucoup de lagunes. Dans les régions tropicales, cette ignorance est très évidente. En outre, pour de nombreuses larves il n'y a pas de clés d'identification (dans certains cas, les larves n'ont jamais été recueillies). Tous ces problèmes peuvent être résolus grâce à la taxonomie moléculaire.

Que recherchez-vous exactement ?

Dans notre groupe, il y a des gens qui travaillent avec différents groupes de coléoptères: scarabées plus coprofes, granivores, aquatiques... Nous construisons des arbres phylogénétiques à partir de l'ADN, déterminons... En plus d'étudier l'arbre, les modèles évolutifs des gènes sont également étudiés.

D'autre part, à partir de la phylogénie, nous étudions également l'évolution de certaines caractéristiques morphologiques, écologiques, stratégies reproductives, etc. J'étudie moi-même l'évolution de la taille corporelle du genre Curculio. Les larves de ces insectes sont des parasites des glands. La première étape consiste à construire une phylogénie moléculaire et la suivante, analyser le modèle d'évolution qui a suivi la taille corporelle en fonction de cette phylogénie.

Précisément, grâce à ces études, j'ai pu vérifier certains des avantages de la taxonomie moléculaire. En Europe, il existe cinq espèces du genre Curculio, bien connues. Aux États-Unis, il y a plus d'espèces, mais elles sont bien étudiées. En Amérique centrale, la question est très différente. Dans un échantillonnage effectué au Mexique pendant un mois, 20 espèces ont été trouvées, selon des études d'ADN, et nous estimons que compte tenu des zones manquantes pour échantillonner, ils peuvent être des centaines. Si nous devions faire cette étude de la diversité depuis la morphologie, nous aurions besoin de beaucoup de temps. En outre, grâce à l'ADN, nous pouvons introduire des larves dans la phylogénie qui sont beaucoup plus faciles à ramasser.