Diversité animale

Le règne animal est composé d’une gamme d’organismes unis par un ensemble de caractéristiques communes. À quelques exceptions près, les animaux sont des eucaryotes multicellulaires qui se déplacent, consomment de la matière organique et se reproduisent sexuellement. Bien que ces attributs soient partagés, les espèces de ce règne sont également extrêmement diverses. Cette diversité est due à l’adaptation de chaque espèce à une niche différente. La niche d’une espèce comprend la superficie, la fonction et l’interrelation de cette espèce avec d’autres facteurs biotiques et abiotiques dans son environnement. La spécialisation de niche par l’adaptation évolutive permet aux espèces de survivre et de se reproduire efficacement dans leur environnement et réduit la compétition entre les espèces dans le même habitat^1-2.

Classification

La diversité du règne animal a conduit à la classification de 36 embranchements distincts, sur la base de leur lignée évolutive. Sept de ces embranchements seront discutés, notamment Porifera, Cnidaria, Platyhelminthes, Annelida, Mollusca, Arthropodes et Chordata. Le premier, l’embranchement Porifera, est l’embranchement le plus ancien, le plus simple et le plus ancestral. Il comprend des éponges filtrantes multicellulaires et asymétriques qui n’ont pas de couches de tissus distinctes. Il est intéressant de noter que les éponges peuvent repousser après avoir été brisées au niveau d’une seule cellule. Ensuite, de plus en plus complexe, l’embranchement des Cnidaires comprend des méduses et des coraux. Les membres de cet embranchement sont radialement symétriques et diploblastiques (possédant deux couches de tissus). Ces couches de tissu sont appelées endoderme, qui constitue la couche interne, et ectoderme, qui forme la couche externe. Les organismes de l’embranchement des Cnidaires contiennent un intestin simple avec une seule ouverture par laquelle la nourriture entre et les déchets sont excrétés. Porifera et Cnidaria comprennent tous deux des organismes qui sont en grande partie sédentaires à l’âge adulte. Cependant, les embranchements restants ont développé des adaptations qui permettent le mouvement et un comportement plus sophistiqué.

Après Cnidaria, il existe deux embranchements de vers, appelés Plathelminthes et Annelida. Les vers de ces deux embranchements respirent en échangeant des gaz sur leur peau. En conséquence, la plupart des vers ont un grand rapport surface/volume et vivent dans des environnements humides ou aquatiques. La peau de ces organismes doit rester humide pour faciliter une diffusion efficace des gaz. Une autre caractéristique commune des vers est leur symétrie bilatérale. Cela signifie qu’un organisme peut être divisé symétriquement en deux le long d’un plan. La symétrie bilatérale est observée non seulement chez les vers, mais aussi dans tous les embranchements à partir de ce point d’évolution. Une telle symétrie est importante pour permettre un mouvement dirigé et pour concentrer les organes sensoriels près de la pointe antérieure, ou tête, où ils interagissent avec leur environnement. Les vers et plus tard les embranchements contiennent également une couche de tissu supplémentaire appelée mésoderme qui se trouve entre l’ectoderme et l’endoderme. Par conséquent, ces organismes sont considérés comme « triploblastiques ».

Des deux embranchements de vers, Plathelminthes est le plus ancien et le plus simple. Il s’agit notamment des vers plats et des trématodes, qui peuvent être libres ou parasites. Comme les cnidaires, ils possèdent un boyau simple avec une seule ouverture. L’embranchement des Annélides est plus complexe, comprenant des vers de terre, des lixiviats et des polychètes. Ces organismes contiennent une cavité corporelle, appelée cœlome, entre l’intestin et la paroi corporelle. Ils se distinguent également par la segmentation de leur corps. La division d’un organisme en segments était une étape importante de l’évolution, permettant l’adaptation de chaque segment à des formes et des fonctions spécialisées. Les principales avancées évolutives dans ce phylum comprennent le développement de segments antérieurs avec des appendices spécialisés dans la préhension et le traitement des aliments, ainsi que de segments postérieurs avec des appendices spécialisés dans la locomotion.

L’embranchement suivant, Mollusca, contient des organismes très diversifiés sur le plan morphologique, notamment des pieuvres, des escargots, des limaces et des palourdes. Il y a peu de caractéristiques déterminantes pour ce groupe. Cependant, tous les mollusques possèdent un manteau, qui agit comme une couverture protectrice pour les organes respiratoires, le tube digestif et les structures reproductives. Ensuite, le groupe d’organismes le plus diversifié est l’embranchement des Arthropodes. À lui seul, cet embranchement représente environ les trois quarts de toutes les espèces vivantes et éteintes connues aujourd’hui, y compris les crustacés, les insectes et les arachnides. Tous les membres de cet embranchement ont un revêtement extérieur dur fait de chitine, appelé exosquelette. Cet exosquelette est périodiquement perdu pour qu’un nouveau, plus grand, prenne sa place. Comme les annélides, les arthropodes sont segmentés. Cependant, au lieu de plusieurs sections répétitives, les arthropodes sont divisés en trois segments distincts appelés la tête, le thorax et l’abdomen. La plupart ont des structures de détection spécialisées attachées à la tête appelées antennes.

Enfin, l’embranchement des chordés comprend tous les animaux avec une colonne vertébrale et quelques-uns sans. Deux caractéristiques déterminantes qui unissent ce groupe sont la présence d’une corde nerveuse et d’une notochorde. Le cordon nerveux est une partie importante du système nerveux chordé et la notocorde est une structure cartilagineuse qui relie le cordon nerveux et le tube digestif. L’embranchement des chordés comprend les tuniciers (qui perdent leur cordon nerveux et leur notochorde après leur métamorphose du stade larvaire au stade adulte), les poissons, les amphibiens, les oiseaux, les reptiles et les mammifères (y compris les humains⁾³.

Forme et fonction

La grande diversité de structure corporelle, d’habitats et de comportements observée dans les 36 embranchements du règne animal est vraiment stupéfiante. Pour mieux comprendre ces différences, il est important de considérer le lien entre la forme et la fonction. « Forme » signifie simplement la forme, la taille et la substance d’une structure ou d’un organisme, tandis que « fonction » représente la manière dont cette structure est utilisée. En conséquence, la fonction d’une structure peut être prédite en fonction de la forme observée, ou vice versa. Par exemple, on prédit qu’un oiseau spécialisé dans le cassage des noix dures aura un bec robuste et pointu, tandis qu’un oiseau qui mange des fruits peut avoir un bec plus petit et plus arrondi.

Il est important de noter que la forme d’un organisme est limitée par ses besoins physiologiques. Par exemple, tous les animaux doivent consommer et digérer des matières organiques et échanger des gaz avec leur environnement. Par conséquent, toute adaptation à la forme d’un animal doit continuer à faciliter efficacement ces processus. Par exemple, chez les petits animaux, la diffusion de gaz à travers la peau est possible et souvent utile. Cependant, à mesure que la taille d’un animal augmente, son rapport surface/volume diminue jusqu’à ce que la diffusion à travers la peau ne puisse plus fournir un échange gazeux suffisant. Ces animaux plus grands ont développé des systèmes complexes pour gérer les échanges gazeux, tels que les poumons d’une baleine ou les branchies d’un poisson. Par conséquent, la morphologie des systèmes d’échange gazeux dépend à la fois de la taille d’un organisme et de son environnement.

De même, il s’ensuit généralement avec d’autres types d’adaptations que la forme suit la fonction, contrainte uniquement par les besoins physiologiques de l’organisme. Cependant, il existe des cas où la forme ne suit pas la fonction. Les structures vestigiales sont celles qui ont servi à quelque chose chez l’ancêtre d’un organisme mais qui ne sont plus utiles dans leur forme actuelle. De telles structures ont peu ou pas d’impact sur la condition physique d’un individu, et ne sont donc pas sélectionnées au cours de l’évolution pour ou contre au sein de la population. En conséquence, certaines structures persistent avec une capacité fonctionnelle limitée. Par exemple, l’appendice humain, une petite poche à l’extrémité du gros intestin, est un vestige évolutif de nos ancêtres. Bien que l’on ait supposé que cette structure stocke les bactéries intestinales bénéfiques, l’ablation de l’appendice est possible sans effets délétères.

Évolution convergente

Parmi les adaptations observées dans le règne animal, beaucoup se sont développées plusieurs fois au cours de l’histoire de l’évolution. Prenons l’exemple des ailes d’une chauve-souris et de celles d’un oiseau. Ces structures ne sont pas le résultat d’une relation évolutive, mais sont plutôt issues d’une évolution convergente⁴. L’évolution convergente se produit lorsque deux organismes développent indépendamment des traits similaires en raison de pressions environnementales ou de niches similaires. Les ailes des chauves-souris, des oiseaux et des encarts se sont toutes développées indépendamment et sont dites être des « traits convergents ». De toute évidence, ces traits sont très bénéfiques pour les niches dans lesquelles ils apparaissent.

Références

1. Hollins, J., et al. (2018). « Une perspective physiologique sur l’évolution induite par la pêche. » Evol Appl 11(5) : 561-576.
2. Leong, M., et al. (2017). « Les habitats fournis par l’homme : facteurs affectant la diversité et la composition des arthropodes dans les maisons. » Sci Rep 7(1) : 15347.
3. Wray, G. A. (2015). « Les horloges moléculaires et l’évolution précoce des systèmes nerveux métazoaires. » Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 370(1684).
4. Foll, M., et al. (2014). « Signaux généralisés d’adaptation convergente à la haute altitude en Asie et en Amérique. » Am J Hum Genet 95(4) : 394-407.

Outre leurs noms, qu’ont en commun les chevaux et les hippocampes ? Bien qu’ils aient l’air très différents, ce sont tous les deux des animaux. En général, nous définissons les animaux comme des organismes multicellulaires qui sont mobiles, c’est-à-dire capables de se déplacer indépendamment, de consommer de la matière organique pour produire de l’énergie et de se reproduire sexuellement. Les espèces ont fait évoluer leurs différents traits avec des fonctions spécifiques pour maximiser leur fitness dans leurs habitats, comme les poumons et les branchies par exemple. Une bonne règle empirique est que la forme suit la fonction, ce qui signifie que la fonction d’une caractéristique peut être prédite par sa structure et son apparence. Par exemple, différentes espèces de pinsons des îles Galápagos ont développé des becs différents pour des régimes spécifiques, comme des becs fins pour consommer du nectar et des becs épais pour ouvrir de grosses graines. Ainsi, nous pouvons prédire le régime alimentaire d’une espèce en observant les structures impliquées dans l’alimentation.

Certaines caractéristiques marquent des points de ramification sur l’arbre de l’évolution et cela est vrai tout au long de l’arbre de la vie animale. Si nous regardons la structure de base de l’arbre évolutif des animaux, nous pouvons voir qu’il est divisé en de nombreux embranchements différents, chaque embranchement étant défini par des caractéristiques communes majeures. Parcourons-les brièvement.

Le premier embranchement majeur est Porifera, ce qui signifie simplement poreux. Stationnaires à l’âge adulte, les Porifera comprennent des filtreurs tels que les éponges. L’absence de symétrie et de couches tissulaires distinctes sépare les Porifera des autres groupes et leur donne une énorme capacité de régénération où un organisme entier peut repousser à partir d’un petit groupe de cellules.

L’embranchement suivant, Cnidaria, comprend les anémones de mer et les méduses et ce groupe se caractérise par leurs tentacules avec des cellules spécialisées à l’extrémité qu’ils utilisent pour piquer et maîtriser leurs proies. Les cnidaires sont radialement symétriques car ils peuvent être divisés en parties égales le long d’un axe central et possèdent deux couches de tissus, l’endoderme à l’intérieur et l’ectoderme à l’extérieur. Cela a permis aux cnidaires de développer un intestin simple avec une seule ouverture.

Les Plathelminthes, qui signifient littéralement vers plats, sont notre prochain groupe. Les vers plats présentent une symétrie bilatérale, ce qui signifie qu’ils ont des moitiés d’image miroir le long d’un seul axe. La symétrie bilatérale a permis la céphalisation, qui est une concentration d’organes sensoriels près de l’extrémité antérieure ou de la tête où ces animaux interagissent continuellement avec leur environnement. La céphalisation, à son tour, a permis un mouvement directionnel, comme se déplacer vers une source de nourriture. Plathelminthes a également développé une troisième couche de tissu, le mésoderme, qui est prise en sandwich entre l’ectoderme et l’endoderme.

Au fur et à mesure que les animaux se complexifient, c’est l’embranchement segmenté, les annélides comme le ver de terre, qui a développé une cavité corporelle tapissée de mésoderme appelée le cœlome. Cette nouvelle caractéristique a permis une spécialisation plus poussée des tissus et a ouvert la voie au développement des organes.

La complexité de cette spécialisation est accrue chez les mollusques, un groupe qui comprend des plans corporels aussi divers que les pieuvres, les escargots et les palourdes. Ce groupe comporte de nombreux organes spécialisés recouverts et maintenus en place par un manteau.

Les arthropodes sont sans doute l’embranchement le plus diversifié et comprennent des insectes, des crustacés et des arachnides. Ils ont été le premier groupe à développer des appendices articulés et ont donc été nommés en conséquence. Ils ont également des antennes sensorielles et leur corps est divisé en trois segments spécialisés, la tête, le thorax et l’abdomen, tous recouverts d’un exosquelette.

Enfin, l’embranchement des Chordés comprend notre vieil ami le mangeur de graines et tous les autres oiseaux ainsi que les tuniciers ou les ascidies, les poissons, les amphibiens, les reptiles et les mammifères. Les chordés tirent leur nom d’un nouveau trait physique qu’ils ont développé, le cordon nerveux, clairement visible dans cet embryon typique de chordés. Cela se développe dans le cerveau et la moelle épinière chez la plupart des adultes. Ils ont également une structure cartilagineuse, la notocorde, qui devient la colonne vertébrale ou l’épine dorsale.

Ici, nous avons caractérisé les principaux embranchements animaux de manière extrêmement simplifiée. Mais comme vous pouvez le voir, même au sein d’un seul embranchement, il existe de nombreuses différences de forme et de fonction. Cela signifie que nous pouvons observer les diverses structures et physiologies des différents membres d’un même phylum et prédire leurs fonctions et leurs cycles de vie.

Dans ce laboratoire, vous observerez les structures des écrevisses et des grillons et prédirez leurs fonctions.