Podcast Science : L’arbre du vivant 2/3

(Cet article est publié en même temps sur Podcast Science, où vous pourrez écouter sa version audio)

On continue notre épopée fabuleuse à la découverte de l’arbre du vivant : la semaine dernière, nous avons exploré l’origine du vivant et la définition de vivant. On avait abouti à la conclusion que le vivant était d’une diversité incroyable et qu’une des aventures scientifiques les plus chaotiques a été celle qui a cherché à classifier le vivant. Aujourd’hui Alan et Mathieu de Podcast Science vont donc m’écouter raconter une histoire des classifications du Vivant jusqu’à aborder la méthode de classification actuelle : la phylogénie.

 

Histoire des classifications du Vivant

_{(Oui OK, j’viens de le dire, mais ça tape un peu plus en gros titre)}

Maintenant les choses sont plus claires, et on a une vue d’ensemble de ce qu’est le vivant, mais les questions qu’on se pose sur le vivant ne s’arrêtent pas là : prenons la perspective d’un homme de l’antiquité, un érudit de son temps mais qui ignore beaucoup de chose sur la nature du vivant, le dénommé Aristote.



Il s’interroge sur le monde qui l’entoure et notamment sur tous les organismes vivants qui lui sont donnés d’observer. Il voit bien qu’il y a des différences entre une vache, un buisson, un poulet, un homme, une salade, une moule, une écrevisse, etc. Une envie folle de classifier tout ce bazar le prend. Mais comment s’y prendre ? La première chose qu’il décide de faire, c’est de classer tous les organismes vivants selon qu’ils soient des plantes ou des animaux. C’est pas idiot et ça viendrait à l’esprit de tout le monde de distinguer des trucs qui bougent, qui mangent, qui émettent des sons, d’autres trucs immobiles et pas très causants. Instinctivement, quand on classe, on a tendance à regrouper ensemble des éléments qui partagent des caractéristiques communes. A la suite de cette première distinction, Aristote ne s’ intéresse pas vraiment aux plantes et se penche plutôt sur la classification des animaux. Pour les classer, il sépare les animaux en deux groupes : les animaux qui ont du sang, et ceux qui n’en ont pas (sur le coup, il s’est un peu chié dessus niveau observation mais faut pas lui en vouloir, y’avait pas wikipédia à l’époque…). Les animaux sanguinolents, il les sépare en cinq groupes : les animaux à quatre pattes vivipares, les oiseaux, les animaux à quatre pattes ovipares, les cétacés et enfin les poissons. Notons qu’il avait eu la supra classe de remarquer la différence entre poissons et baleines, et ça c’est fort pour un mec du 4ème siècle avant J.C. ! Pour les animaux anémiques, il s’est dit que cinq groupes, ça ferait joli aussi, bien équitable et tout et tout. Du coup il les a séparés en Céphalopodes, Animaux avec segments (vers, etc…), Animaux à carapace molle (crabes et autres crustacés, Animaux à carapace dure (les huitres, les moules et les escargots…), et genre… tout le reste avec dans le même panier les étoiles de mer, les oursins, les éponges… tout ce qu’il considérait comme un lien entre le monde végétal et animal.

En fait, son mode de classification repose sur l’observation des organismes et la détermination de caractéristiques communes plus ou moins visibles. Pas bête on l’a dit mais tout de même assez arbitraire : pourquoi privilégier a priori les caractéristiques visibles par l’œil humain ? Surtout qu’Aristote favorise les caractères qu’il trouve d’abord chez les humains et les recherche chez d’autres organismes. Ca nous donne une classification peut-être pratique selon un certain point de vue mais très anthropocentrique et qui ne reflète pas réellement l’histoire du vivant : il crée le groupe des invertébrés car ce sont des espèces sans vertèbres parce que l’humain, lui, le beau gosse, il en a une belle vertèbre. Par ailleurs, Aristote s’est aussi mis en tête d’organiser les organismes selon une échelle de complexité : une échelle des êtres, la Scala Naturae développée plus tard par Gottfried Leibniz. Selon Aristote, les êtres vivants suivent une gradation linéaire qui permet d’obtenir leur classification suivant leur degré de perfection : ça correspond à une échelle immuable donc chaque barreau représente un degré de perfection avec, en bas de l’échelle, les êtres les plus simples, et à son sommet, la perfection absolue : l’être humain dans toute sa splendeur. Vu que ça flatte pas mal notre égo, et qu’en plus c’est en parfaite adéquation avec la représentation judéo-chrétienne du monde, pas étonnant que cette échelle ait été conservée pendant des siècles.

Curieusement, cette manière de classer les êtres vivants est restée stable pendant des siècles, et les révolutions les plus importantes sont apparues… en botanique ! Agacés par les erreurs de classification (certaines plantes portaient plusieurs noms, certains noms désignaient plusieurs plantes), certains botanistes du XVIème siècle ont décidé de faire la révolution et de classer les plantes… par ordre alphabétique. Ca semble encore plus aberrant car pour utiliser cette classification, il fallait connaitre le nom de la plante à l’avance (et du coup, pourquoi l’utiliser…) mais cela a permis de donner un coup dans la fourmilière et de réveiller les esprits. Parce que la question sous-jacente à cette révolution c’était : “Ouais c’est p’tet con de faire ce genre de classification, mais qu’est ce qui fait qu’une classification est bonne alors ?”.


Au XVIIIème siècle, un certain Carl von Linné non seulement établit une classification du vivant mais surtout détermine une méthodologie rigoureuse pour construire sa classification.


En gros, il considère que le vivant est une grosse bibliothèque : il sait pas trop comment tous ces livres sont arrivés là, mais c’est pas grave, on va les classer quand même et on va faire du boulot rigoureux.
Il crée par exemple la notion de niveaux hiérarchiques dans les classifications avec 7 rangs : règne, embranchement, classe, ordre, famille, genre, espèce. L’idée, c’est que ces niveaux hiérarchiques s’emboitent : l’espèce fait partie d’un genre qui fait partie d’une famille qui fait partie d’un ordre, etc. Linné appelle chaque rang un taxon, et la méthode pour ranger les espèces, la taxinomie.

“Mais pourquoi 7 taxons ?” me demanderez-vous… Et bien parce qu’à l’époque on considère que le chiffre 7 est un chiffre parfait… Super la rigueur scientifique pour le coup. Il faut dire qu’à l’époque quand on réalisait une classification du vivant on avait bien l’intention de retrouver l’ordre de la création divine : du coup, mieux vaut que tout soit parfait comme le Big Boss l’aurait voulu. Au passage, il faut également remercier Linné pour la manière dont les scientifiques nomment les espèces : en effet, celles-ci suivent la nomenclature binominale où l’on ne donne que les noms des deux derniers niveaux, le genre et l’espèce, pour nommer un organisme. Exemple : Cyrtolobus funkhouseri, le plus funky des membracidés est un insecte du genre Cyrtolobus et dont l’espèce est funkhouseri et dont la bouille ressemble à ça :


 
A partir de Linné, les méthodes de classification s’affinent. Pour réaliser les groupes d’espèces qui vont rentrer dans chaque rang hiérarchique, les chercheurs de l’époque vont observer des caractères et, selon qu’ils sont similaires ou différents entre les espèces, les organiser en différents groupes. Comme l’avait déjà fait Aristote mais cette fois-ci de manière un peu plus raisonnée. Bien sûr, si on prend n’importe quel caractère, comme la couleur, la taille, le nombre de poils dans les narines, on risque d’obtenir des classifications très différentes.

Pour obtenir des classifications plus robustes, il faut attendre Bernard de Jussieu et Antoine Laurent de Jussieu qui vont imposer des classifications botaniques beaucoup plus rigoureuses car ils vont donner des valeurs aux caractères et chercher les caractères les plus constants entre espèces : Si, dans un pré, toutes les fleurs ont des couleurs différentes, ce n’est pas un bon caractère pour les classer. Si par contre, de nombreuses fleurs ont le même nombre de pétales, ce caractère-là est beaucoup plus informatif.


En zoologie, c’est Georges Cuvier (moins connu sous les noms de Jean Léopold Nicolas Frédéric Dagobert Chrétien Cuvier) qui va appliquer la méthode des Jussieu à la classification des animaux. Cependant, le vivant est toujours perçu comme une création divine et le travail du classificateur, c’est encore de retrouver cette organisation ! Dieu a créé toutes les espèces au moment de la création et les chercheurs vont tâcher de retrouver l’ordre parfait selon lequel s’organisent ces espèces.

Puis arrive le siècle des Lumières et avec lui, son lot d’idées révolutionnaires qui vont notamment bouleverser la conception du vivant et du coup notre manière de l’appréhender, le comprendre et enfin le classer. L’énorme changement qui fout complètement le bordel chez les scientifiques, c’est la remise en question du fixisme des espèces. Et si, comme le proposa Lamarck, les êtres vivants se transforment au cours du temps, et que, génération après génération, ils génèrent ainsi de nouvelles espèces ?



Grâce à Lamarck (moins connu sous les noms de Jean-Baptiste Pierre Antoine de Monet, chevalier de Lamarck), non seulement on se passe de l’intervention divine pour organiser le vivant, mais en plus, on envisage que les espèces se transforment : la nature n’est plus fixe, comme le concevait Cuvier, mais changeante ! En plus, l’idée du transformisme fait rentrer la notion de temps dans la classification du vivant. Pour classer les espèces, il faudra retrouver comment elles se sont changées les unes dans les autres au cours du temps.

Cette idée est brillante… et vraie ! Là où s’est planté le pauvre Lamarck, c’est sur la manière dont il a envisagé que les espèces se transforment en d’autres espèces. Selon lui, les caractères acquis au cours de la vie sont transmis à la descendance et c’est ça qui fait que les êtres vivants, et les espèces à grande échelle, se transforment : c’est l’hérédité des caractères acquis.

Par exemple, selon Lamarck, si on prend l’espèce ancestrale de la girafe, une espèce au cou de petite taille, les individus de cette espèces qui cherchaient à manger les feuilles les plus hautes des arbres se retrouvaient avec un cou légèrement plus grand et transmettraient ce caractère à leurs descendants. Et au fil des générations, ce caractère se serait exacerbé jusqu’à donner les cous invraisemblables des girafes actuelles.



Selon Lamarck, pour résumer, les espèces acquièrent de nouveaux organes, les modifient ou en perdent pour s’adapter au milieu dans lequel ils vivent, puis transmettent se caractère à leur descendance.
Malheureusement pour Lamarck, son idée séduisante ne reflète pas ce qui se passe véritablement dans la nature. Pour le tester, rien de plus simple : prenez une population de lézards, coupez-leur les membres, faites-les se reproduire et observez si leur descendance n’a plus de pattes (ou même des pattes plus petites). Vous pouvez répéter cette expérience de nombreuses fois : il y a de fortes chances pour que vous obteniez une population avec quelques lézards à pattes courtes, mais aussi des lézards à grandes pattes. Le fait est que les populations ne suivent pas une direction inhérente quand ils se reproduisent : elles varient ! Et ça Lamarck avait du mal à le concevoir parce qu’il travaillait surtout dans des musées et ménageries. Là où, il fallait aller, c’est à la ferme ! Et c’est exactement ce qu’a fait Charles Darwin !


De retour d’un voyage en bateau à travers le monde, Charles Darwin (moins connu sous le nom de Charles Robert Darwin… C’est lourd ?… bon OK, j’arrête), au lieu de s’enfermer dans son bureau, enfile ses bottes, et va poser de nombreuses questions à des fermiers et des éleveurs. C’est grâce à eux qu’il va attacher une grande importance aux variations qui existent entre les individus d’une même espèce. Pour lui, avant de considérer l’espèce, il faut considérer les variations qui existent entre les individus. A ses yeux, c’est uniquement la moyenne de ces variations qui donne une certaine idée de ce qu’est une espèce. Lamarck considérait que les espèces étaient caractérisées par une sorte d’essence, une image parfaite de l’espèce dont certains individus déviaient. Pour lui, les variations sont des aberrations par rapport à un plan idéal. Ce serait comme dire que, sous prétexte que la majorité des individus humains sont bruns l’espèce humaine est brune. Darwin retourne cette idée sur elle-même : les espèces ne sont qu’une collection d’individus très semblables car très proches sur le plan de la parenté. Cependant, tous les individus d’une espèce sont sujets à des variations et le concept d’espèce n’est qu’une norme qu’on applique aux populations d’individus qui la constituent. En reprenant l’exemple des cheveux, Darwin aurait simplement remarqué que le caractère de la couleur des cheveux varie entre les différents individus de l’espèce humaine.


La suite, étalée sur plusieurs décennies, c’est la rédaction lente d’une théorie qui va bouleverser la science du vivant. Charles Darwin va comprendre et démontrer que, dans des conditions de l’environnement et un moment donnés, certains variants au sein d’une espèce sont avantagés et deviennent plus nombreux parce qu’ils laissent plus de descendants que les variants compétiteurs. Les variations sont sélectionnées à chaque génération et la population évolue au cours de sa généalogie, parfois jusqu’à se scinder en plusieurs espèces. De plus, Darwin comprend que la ressemblance entre certaines espèces est due à des caractères hérités d’une espèce ancestrale. Il y a des liens entre les individus composant une espèce mais aussi des liens entres les espèces. Et ces liens sont de même nature : la parenté. Deux espèces distinctes peuvent être sœurs ou cousines du premier, second, troisième degré. Exemple : Nous humains, sommes cousins des chimpanzés. Et le groupe Humain-Chimpanzé est cousin, d’un plus lointain cousinage, avec les macaques. Enfin, grâce à Charles Darwin, on peut enfin fonder la classification du vivant selon un processus naturel véritable : celui de l’évolution ! Darwin comprend que la ressemblance entre certaines espèces est due à des caractères hérités d’une espèce ancestrale et qu’une classification naturelle du vivant doit donc être fondée sur une recherche de parenté. La classification du vivant devient le reflet de la très longue histoire du vivant, c’est à dire une sorte de généalogie. Et pour représenter cette classification, Darwin ne pense pas à un sommaire au début de nombreux volumes poussiéreux, ni à une échelle pour représenter l’ascension du vivant vers la complexité. Pour Darwin, il faut représenter les classifications sous forme d’arbre, pour représenter ainsi les liens de parenté entre les êtres vivants… Un arbre évolutif :

La Phylogénie

A partir de ce moment, on pourrait penser que tous les scientifiques de la terre entière allaient se mettre à travailler, main dans la main, à la réalisation d’une classification du vivant de la mort qui tue ! Et bien non, ça a trainé pas mal, notamment parce que toute la communauté scientifique ne s’est pas mise à appliquer la théorie de l’Evolution à la lettre pour établir les classifications. Au final, l’organisation divine ou le Lamarckisme ont eu la peau dure et il a fallu attendre les années 50 pour qu’un certain Willi Hennig (Emil Hans… j’m’en fous, c’est mon blog…) jette les fondements d’une méthodologie rigoureuse pour réaliser une classification naturelle du vivant.


Cette méthode, Willi Hennig la nomme la cladistique et c’est la méthode que les chercheurs continuent à utiliser pour classifier le vivant, pour établir les liens de parentés entre les êtres vivants.

L’idéal pour établir les liens de parentés entre les êtres vivants, ce serait d’établir une généalogie complète de chaque organisme vivant. Mais malheureusement pour les chercheurs, ni les bactéries, ni les arbres, ni les moustiques et encore moins les ornithorynques n’ont gardé un registre d’état-civil pour pouvoir déterminer qui étaient leurs ancêtres. Allez hop, flemmards de chercheurs, va falloir réfléchir à une autre solution là ! A défaut de pouvoir établir une généalogie, il va falloir essayer de deviner quels sont les liens de parentés sans avoir au préalable établi une généalogie complète. On va donc essayer de répondre à la question « Qui est plus proche de qui ? ». Imaginez un peu Colombo face à une trentaine de d’individus qu’il doit regrouper, sans consulter leur registre d’état-civil, en fonction de leur parenté. Est-ce que Mr. A est le cousin germain du 3ème degré de Mr. X ? Dur, dur. Et à votre avis, quelle va être la méthode de déduction que va utiliser Colombo pour déterminer ces liens de parentés ? Et bien c’est une méthode absolument pas du tout nouvelle : c’est la similitude ! Colombo va regarder la couleur des yeux, de la peau, des cheveux, la taille, la forme du visage, etc. et tout ça pour regrouper les suspects en fonction des similitudes qui les relient. L’idée sous-jacente est que plus les individus se ressemblent, plus il y a de chance qu’ils aient des liens de parenté forts par rapport aux autres, que moins de générations les séparent d’un ancêtre commun par rapport au reste des individus.

Il faut que je fasse une petite pause là, pour appuyer un peu sur ce que je viens de dire. C’est crucial ! Ce que vous devez enfin réaliser, c’est qu’on a fait des bons gigantesques en terme de philosophie sous-jacente des classifications du vivant, en abandonnant toute idée d’anthropocentrisme, d’ordre divin, ou de hiérarchie du vivant. On se base sur une donnée pertinente : l’évolution des organismes vivants et des espèces, qu’on considère comme une famille dont on essaie de comprendre l’histoire. Mais en ce qui concerne la méthodologie, le concept de base, vous devez commencer à vous rendre compte qu’il est souvent le même : la ressemblance.
Mais avec la méthode qu’on appelle cladistique ou phylogénie, on cherche des ressemblances qui proviennent d’un ancêtre commun. On appelle ça des caractères homologues, c’est-à-dire des caractères dont la similitude est expliquée par leur transmission héréditaire, au fil des générations d’individus et d’une espèce à une autre. Exemple, chez les animaux vertébrés, la mâchoire est un caractère d’homologie… Tous les animaux qui possèdent une mâchoire l’ont hérité d’un ancêtre commun.

Bien sûr il faut être prudent et il y a toujours place à l’erreur ! Il existe des similitudes qui ne sont pas héritées d’un ancêtre commun. Ce n’est donc pas un caractère homologue et on parle alors de convergence évolutive. L’exemple le plus illustre chez les animaux est l’aile.


Il est très improbable (et à vrai dire, soyons fou, disons qu’il n’est pas possible) que tous les animaux ailés aient acquis le caractère “aile” d’un ancêtre commun. L’ancêtre commun des mouches, des chauves-souris, des pigeons et des poissons-volants n’avait certainement pas d’ailes et n’a pas transmis ce caractère qui aurait été maintenu, de générations en générations, chez toutes ces différentes espèces. Ce caractère particulier est survenu plusieurs fois au cours de l’évolution au hasard des variations et des sélections de ces variations.
Le jeu, ça va être donc de chercher chez différentes espèces des caractères homologues car issus d’un ancêtre commun.

Donc pour résumer, aujourd’hui, la classification des êtres vivants consiste à rassembler les espèces ou ensembles d’espèces en groupes en fonction de la parenté et ces regroupements doivent être faits sur la base de caractères homologues, c’est-à-dire de caractères qui se ressemblent car hérités d’un ancêtre commun.

Attention cependant, il faut être précis en parlant de caractères homologues. La méthodologie de la phylogénétique selon Willi Hennig c’est de ne plus de se contenter de chercher des caractères similaires et différents pour faire ses classifications : Ce qu’il cherche, ce sont des caractères avec deux états : primitif et dérivé, ou encore un caractère ancestral et un caractère modifié par une innovation évolutive. Exemple : dans l’échantillon des tétrapodes, un bon caractère va être celui du membre dont l’état ancestral est une nageoire et l’état dérivé, une patte. C’est une des bases de la phylogénie. Grâce à cette idée, on est à la recherche de caractères issus d’innovation évolutive et qu’on va utiliser pour faire nos groupes. L’idée, c’est qu’un caractère issu d’une innovation évolutive a été transmis par un ancêtre à toute sa descendance.

Bon maintenant, il va falloir être franc, tous les chercheurs qui se mettent à vouloir classifier les espèces ne s’attèlent pas à l’ensemble du vivant : non seulement c’est une tâche gargantuesque (on a recensé plus d’1 749 577 de différentes espèces vivantes) mais en plus trouver des caractères d’homologie devient un casse-tête insoluble si on veut considérer toutes les espèces. Ce qu’on fait donc, c’est toujours se concentrer sur un échantillon d’espèce. Et après on donne sa petite contribution à la grande classification de tout le vivant.

Bien sûr on ne se limite pas à un seul caractère. On en cherche plein pour réaliser nos groupes. Mais l’idée c’est qu’à la fin de notre étude, les groupes soient définis par un ensemble de caractère dérivés, par un ensemble d’innovations évolutives. Grâce à cela, nos groupes sont considérés comme représentant un ancêtre hypothétique et l’ensemble de sa descendance : des groupes qu’on appelle monophylétiques. La phylogénie revient donc à déterminer, dans un échantillon d’espèces, comment celles-ci peuvent être regroupées en différents groupes monophylétiques.
Malheureusement, il est très difficile d’expliquer comment construire une phylogénie sans se mettre à en construire une soi-même. Faut pas le cacher, c’est un pas un exercice des plus Funky… Heureusement, un blog ami, le blog de Jean-Philippe Colin, contient plusieurs articles sur la question où Jean-Philippe a notamment tenté de faire la première classification phylogénétique des êtres fantastiques (les elfes, orques, hobbits, etc…). Je vous invite donc à consulter ces liens pour vous familiariser avec le travail d’un phylogénéticien (1, 2, 3 et 4)

Au fait, pour trouver les caractères homologues entre les espèces, il y a plein de perspectives possibles : l’observation morphologique comme le font les Paléontologues, l’observation des gènes comme le font les Généticiens… donc ce qu’il faut garder en tête ici, c’est que la classification du vivant est toujours remise en cause par les nouvelles découvertes que l’on fait en biologie, que ce soit en paléontologie avec la découverte de nouveaux fossiles aux caractères jamais rencontrés, ou encore en génétique, biologie du développement, etc… Mais une chose reste constante depuis plusieurs décennies : la méthode et le fondement naturel des phylogénies. Et ça, c’est une acquisition inestimable dans l’histoire de la classification du vivant.

La semaine prochaine viendra le moment tant attendu, le moment où l’on va explorer ensemble, la Classification phylogénétique du vivant, selon les données les plus récentes. 
 

Liens :
La classification d’Aristote
Les articles de JP Colin (1, 2, 3 et 4)

 

Références :
Lecointre G, Le Guyader H, Visset D : Classification phylogénétique du vivant, 3rd edn : Belin Paris ; 2001

Darwin C : On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life, 1st ed. edn : London : John Murray ; 1859.