Exercices: Les grands groupes d'êtres vivants

Énumérer les grands groupes (règnes) d'êtres vivants et écrire pour chacun une caractéristique distinctive permettant de le reconnaître.

Différencier bryophytes, ptéridophytes, gymnospermes et angiospermes d'après la présence de vaisseaux conducteurs, de graines et de fleurs, et donner un exemple de chaque groupe.

Expliquer le critère qui sépare les vertébrés des invertébrés, citer les cinq groupes de vertébrés et une innovation évolutive clé de chacun.

Différencier un organisme unicellulaire d'un organisme pluricellulaire avec deux exemples de chacun, et expliquer l'avantage que représente la division du travail entre cellules spécialisées chez un organisme pluricellulaire.

Classer chacun de ces organismes dans son grand groupe (monères, protoctistes, champignons, plantes ou animaux) et justifier le choix : une amibe, un champignon à chapeau, un chêne, une cyanobactérie et une éponge.

Expliquer deux caractères qui distinguent les champignons des plantes (composition de la paroi cellulaire, mode de nutrition, substance de réserve) et justifier pourquoi les champignons sont plus étroitement apparentés aux animaux qu'aux plantes.

Citer trois grands groupes d'invertébrés (par exemple cnidaires, annélides, arthropodes, mollusques ou échinodermes) et une innovation évolutive caractérisant chacun (symétrie radiaire, segmentation, exosquelette articulé…).

Qu'est-ce qu'un protoctiste (protiste) ? Expliquer pourquoi on dit que c'est un groupe « fourre-tout », ce que ses membres ont en commun, et donner deux exemples qui montrent son énorme diversité (une algue unicellulaire et un protozoaire).

Identifier à quel grand groupe appartient chaque organisme à partir de ces descriptions et justifier la réponse : a) organisme unicellulaire sans noyau différencié, dont les lipides membranaires sont unis par des liaisons éther, vivant dans des eaux thermales ; b) organisme eucaryote pluricellulaire à nutrition hétérotrophe par absorption ; c) organisme eucaryote unicellulaire photosynthétique du plancton.

Expliquer quelles adaptations anatomiques et physiologiques ont permis aux premiers vertébrés de passer du milieu aquatique au milieu terrestre, et quels problèmes ils ont dû résoudre (soutien, respiration, dessiccation et reproduction).

À partir de l'arbre phylogénétique simplifié du schéma : a) indiquer quel groupe actuel partage un ancêtre commun plus récent avec les animaux ; b) expliquer ce que représente le nœud signalé par « ? » et quel type d'organisation cellulaire partagent tous les groupes qui en descendent ; c) justifier s'il est correct d'affirmer que les bactéries sont « moins évoluées » que les animaux.

Classer par ordre d'apparition ces innovations dans l'histoire des plantes et expliquer quelle indépendance vis-à-vis du milieu aquatique chacune a apportée : vaisseaux conducteurs, graine et fleur.

Classer par ordre d'apparition ces innovations évolutives des vertébrés et attribuer chacune au groupe dans lequel elle est apparue : mâchoires, poumons et membres à doigts, œuf amniotique et plume.

Expliquer ce qu'est une synapomorphie (caractère dérivé partagé) à l'aide des poils et des mamelles des mammifères, et justifier pourquoi ce sont les caractères dérivés partagés, et non les ressemblances générales, qui servent à construire les arbres évolutifs.

Distinguer évolution divergente et évolution convergente à l'aide de ces exemples : le bras humain et l'aile de la chauve-souris (organes homologues) face à l'aile d'un papillon et l'aile d'un oiseau (organes analogues). Expliquer ce que chaque cas indique sur le lien de parenté.

Les éponges sont les animaux actuels dont l'organisation est la plus simple. Décrire leur plan d'organisation (sans véritables tissus, choanocytes qui filtrent l'eau) et justifier ce qu'il suggère sur la façon dont les animaux ont pu apparaître à partir de protistes coloniaux.

Un élève de première affirme en classe : « Les crocodiles et les lézards appartiennent à la même classe (les reptiles) parce qu'ils partagent des caractères comme les écailles kératinisées et l'ectothermie, alors que les oiseaux forment un groupe totalement différent parce qu'ils ont des plumes et sont homéothermes. Regrouper crocodiles et oiseaux dans un même clade contredit la morphologie. » À partir des principes de la systématique phylogénétique :

1. a) Réfuter l'affirmation de l'élève en expliquant pourquoi fonder la classification sur les écailles kératinisées ou l'ectothermie produit un groupe paraphylétique. Distinguer dans la réponse les plésiomorphies (caractères ancestraux) et les synapomorphies (caractères dérivés partagés).
2. b) Dessiner ou schématiser un cladogramme plaçant l'ancêtre commun des amniotes, les lépidosauriens (lézards), les crocodiles et les oiseaux. Placer sur les branches correspondantes au moins deux synapomorphies exclusives du clade des Archosauria (qui regroupe oiseaux et crocodiles).
3. c) Prévoir ce qui se passerait si, dans une couche fossilifère, on découvrait un organisme présentant une fenêtre antéorbitaire dans le crâne et un gésier musculeux, mais couvert d'écailles et sans trace de plumes : à quel endroit de votre cladogramme le placeriez-vous, et quelle conséquence cela aurait-il pour la définition traditionnelle de « reptile » ?

Dans un lac de haute montagne de la péninsule Ibérique, on a enregistré au cours de la dernière décennie un effondrement de 80 % de la population d'alyte accoucheur (Alytes obstetricans), alors que les populations de couleuvre vipérine (Natrix maura) et de libellules ne montrent pas de baisse significative. Les analyses environnementales révèlent une augmentation du rayonnement UV-B, une concentration modérée de nitrates d'origine agricole (élevage) (18,5 mg/L) et la présence du champignon pathogène Batrachochytrium dendrobatidis.

1. a) En lien avec l'anatomie et la physiologie des amphibiens (échanges gazeux à travers le tégument, cycle de reproduction biphasique et métamorphose), interpréter pourquoi ces facteurs affectent de façon dévastatrice les amphibiens et non les reptiles du même plan d'eau.
2. b) Concevoir un plan d'action comportant deux mesures de conservation spécifiques et réalisables sur le terrain pour enrayer la disparition de l'alyte accoucheur sur ce site. Justifier le mécanisme biologique par lequel chacune de vos propositions contrecarrera les causes précises du déclin.

Dans une parcelle expérimentale d'une forêt caducifoliée, on a appliqué pendant trois ans un fongicide systémique à large spectre sur le sol, en maintenant inchangés le rayonnement solaire, la pluviosité et la concentration de CO₂ atmosphérique. Au terme de cette période, trois observations empiriques ont été faites :

1. L'épaisseur de la couche de litière non décomposée a augmenté de 180 %.

2. Les jeunes plants de chêne (Quercus robur) ont subi une réduction de 45 % de leur croissance et une nette carence foliaire en phosphore et en azote.

3. Le taux de respiration du sol a fortement diminué.

1. a) Justifier les observations 1 et 3 à partir de la stratégie métabolique et du mode de digestion externe caractéristiques des champignons saprophytes, par comparaison avec la nutrition autotrophe des végétaux.
2. b) Expliquer le mécanisme biologique sous-jacent à l'observation 2 : quelle interaction symbiotique spécifique a été détruite dans le sol, et quel flux net de nutriments entre champignon et plante a été interrompu ?
3. c) Prévoir, en justifiant, comment l'absence prolongée de champignons affectera à moyen terme la productivité primaire nette de la forêt et le cycle biogéochimique du carbone.

Dans un échantillon de pergélisol arctique, on a isolé un micro-organisme (« A-24 ») aux propriétés suivantes : il possède une capside icosaédrique de 400 nm, un génome d'ADN bicaténaire de 1,2 Mb (supérieur à celui de bactéries comme Mycoplasma genitalium), code des enzymes de réparation de l'ADN et plusieurs aminoacyl-ARNt synthétases, mais il est dépourvu de ribosomes propres, d'ATP synthases et de potentiel de membrane. Il ne se multiplie qu'en pénétrant dans une amibe vivant librement.

1. a) Évaluer de façon critique si « A-24 » doit être considéré comme un organisme vivant ou comme une particule virale, selon la théorie cellulaire et les postulats métaboliques traditionnels.
2. b) Comparer la manière dont l'« hypothèse de la réduction » (cellules parasites dégénérées) et l'« hypothèse de l'échappement génique » expliqueraient l'origine évolutive d'« A-24 ». Quelles signatures génomiques spécifiques s'attendrait-on à trouver chez « A-24 » pour appuyer l'hypothèse de la réduction plutôt que celle de l'échappement ?
3. c) Un groupe de biologistes propose de créer un « quatrième domaine du vivant » pour placer ces virus géants aux côtés des Bacteria, des Archaea et des Eukarya. En utilisant les fondements de la phylogénie moléculaire de Carl Woese fondée sur l'ARN ribosomique (16S/18S), réfuter la faisabilité technique de cette proposition et proposer une alternative taxonomique cohérente.

Lors d'un échantillonnage biologique, on recueille un organisme pluricellulaire terrestre sessile, pourvu de parois cellulaires et à nutrition hétérotrophe par absorption. La classification linnéenne traditionnelle le placerait près des plantes en raison de son aspect morphologique. Pourtant, les analyses de laboratoire révèlent :

1. La présence de chaînes polymériques de N-acétylglucosamine dans sa paroi cellulaire.

2. Un stockage des réserves énergétiques sous forme de glycogène et de lipides, avec une absence totale d'amidon.

3. Dans les arbres phylogénétiques fondés sur les séquences d'ARN ribosomique et de protéines contractiles, cet organisme forme un clade monophylétique avec les animaux et les choanoflagellés (Opisthokontes).

1. a) Justifier pourquoi les ressemblances morphologiques avec les plantes (sessile, présence d'une paroi) sont des homoplasies (convergences adaptatives) et non des homologies évolutives.
2. b) Argumenter, à l'aide des notions d'homologie moléculaire et de synapomorphie, pourquoi les données 1, 2 et 3 démontrent que ce champignon partage un ancêtre commun plus récent avec un escargot qu'avec une fougère.
3. c) Un élève commente : « Si avant les champignons étaient des plantes et qu'on dit maintenant qu'ils sont apparentés aux animaux, les classifications biologiques ne sont que de pures inventions arbitraires. » Réfuter ce commentaire en expliquant la différence méthodologique entre une classification phénoménologique et une systématique phylogénétique fondée sur des hypothèses testables.

Dans un gisement du Crétacé, on extrait un squelette fossile attribué à un théropode non aviaire (Dromaeosauridae). Le fossile présente :

• des plumes de contour asymétriques sur les membres antérieurs ;

• une fourchette (furcula) ossifiée en « V » et un sternum à bréchet naissant ;

• un squelette appendiculaire à os creux pneumatisés ;

• des dents dentelées sur les mâchoires et une longue queue osseuse articulée.

1. a) Interpréter ces caractères à la lumière du concept d'exaptation (cooptation fonctionnelle) : démontrer pourquoi des structures associées au vol moderne (plumes et squelette pneumatisé) n'ont pas évolué à l'origine « pour » voler, mais sous des pressions de sélection différentes chez des dinosaures terrestres.
2. b) Un média de vulgarisation publie le titre : « Un nouveau fossile aide à comprendre comment les dinosaures se sont éteints et ont donné naissance aux oiseaux ». Identifier l'erreur conceptuelle cladistique du titre et rédiger une formulation taxonomiquement rigoureuse fondée sur le concept de groupe monophylétique.
3. c) Expliquer quelles conséquences taxonomiques aurait, pour la classe « Reptilia », le maintien des oiseaux dans une classe séparée : quel type de groupe les Dinosauria seraient-ils si l'on excluait expressément la lignée des oiseaux actuels ?

L'analyse du registre fossile des gisements continentaux avant et après la crise biologique de la limite Permien-Trias (~252 Ma) montre que les thérapsides (synapsides connus comme « reptiles mammaliens »), qui dominaient plus de 70 % des communautés faunistiques d'herbivores et de carnivores, ont subi une extinction massive de plus de 85 % de leurs familles. Au cours du Trias, les archosaures basaux, auparavant rares et marginaux, ont connu une diversification rapide en occupant la grande majorité des niches écologiques terrestres.

1. a) Interpréter ce renouvellement faunistique en appliquant les notions de goulot d'étranglement écologique, de niches vacantes et de radiation adaptative. La diversification des archosaures a-t-elle été la conséquence d'une « supériorité biologique compétitive » préalable ou d'une contingence historique ?
2. b) Appliquer le même raisonnement à l'extinction de la limite Crétacé-Paléogène (K-Pg) : justifier si l'essor écologique des mammifères placentaires après l'impact de la météorite appuie l'idée d'un progrès évolutif cumulatif ou celle de contingence.
3. c) Face à l'actuelle crise de perte de biodiversité provoquée par l'action humaine, un rapport affirme : « Les espèces dominantes aujourd'hui (humains, volailles d'élevage, rongeurs) garantissent la stabilité des écosystèmes futurs, car leur abondance démontre leur succès adaptatif. » Juger de façon critique cette affirmation en s'appuyant sur les schémas de survie observés lors des grandes extinctions du registre fossile.

Le service environnement de votre ville souhaite évaluer la santé écologique d'un parc périurbain soumis à deux régimes différents : la zone A (tonte continue de la pelouse, ramassage des feuilles mortes et utilisation d'herbicides) et la zone B (renaturée, sans débroussaillage systématique ni produits phytosanitaires).

1. a) Concevoir un protocole d'échantillonnage standardisé pour quantifier et comparer la diversité de deux groupes taxonomiques clés : les arthropodes du sol et les champignons du sol. Pour chaque groupe, indiquer : la méthode de capture ou de prélèvement des échantillons sur le terrain, l'effort d'échantillonnage (nombre de réplicats ou surface) et une variable biologique quantitative précise que vous mesureriez en laboratoire.
2. b) L'analyse de l'eau d'une mare du parc par observation visuelle et filets à plancton conventionnels ne détecte aucune présence d'amphibiens ni de macroinvertébrés benthiques menacés. Concevoir une stratégie analytique fondée sur l'ADN environnemental (ADNe) et le métabarcoding permettant de vérifier si ces espèces fréquentent ou habitent le plan d'eau, en précisant quelle cible génétique commune est utilisée pour l'identification taxonomique et deux avantages décisifs de cette technique par rapport aux méthodes de recensement traditionnelles.
3. c) Prévoir quelles différences quantitatives et structurelles vous attendriez-vous à trouver entre le réseau trophique de la zone A et celui de la zone B après deux ans de gestion différenciée, en justifiant comment cette gestion se répercutera sur le taux de décomposition de la matière organique et sur la capacité de résilience de l'écosystème.

Défi du thème. Imaginez que vous travaillez comme conseiller scientifique pour un muséum d'histoire naturelle. Votre mission est d'analyser comment les grandes étapes de l'histoire de la vie expliquent la biodiversité qui habite aujourd'hui votre territoire.

Suivez ces étapes :

1. Recueil de données réelles : accéder à la plateforme officielle GBIF France (gbif.fr) et consulter les données de biodiversité de votre département ou de votre région. Relever le nombre d'espèces enregistrées pour quatre lignées : bactéries, plantes, champignons et animaux.

2. Reconstitution évolutive : concevoir un tableau chronologique où vous situez l'apparition de chaque groupe sur l'échelle géologique (des premières traces de vie cellulaire il y a $\approx 3,8$ Ga jusqu'à l'explosion cambrienne il y a $\approx 0,54$ Ga). Ajouter dans chaque cas une innovation adaptative déterminante (comme la photosynthèse oxygénique, la symbiogenèse ou la pluricellularité).

3. Rapport de synthèse : réaliser un graphique comparant la richesse spécifique actuelle à l'ancienneté de chaque groupe et rédiger une proposition argumentée ($1$ page) expliquant comment les extinctions et les radiations adaptatives ont façonné la biosphère locale que vous observez.

Seront évalués :

• La rigueur dans le relevé et la mise en tableau de données biologiques réelles issues de la base officielle.

• L'exactitude scientifique dans la datation des étapes évolutives et leur lien avec les innovations biologiques correspondantes.

• La qualité de l'analyse critique dans la mise en relation de l'histoire géologique avec les schémas actuels de biodiversité.