L'évolution de l'oeil

Problématique

Comment l'évolution a-t-elle conduit à la diversité des systèmes visuels chez les animaux ?

Consigne n°1

Recopier la matrice de caractères ci-dessous, puis utiliser la ressource n°1 pour la compléter.

Consigne n°2

À partir de la matrice de caractères complétée, construire l’arbre des relations de parenté des différents êtres vivants étudiés.

Consigne n°3

Sur l'arbre des relations de parenté, faire apparaître, comme sur l'exemple ci-dessous, les innovations évolutives liées au système visuel :

Remarque : certaines innovations peuvent apparaître plusieurs fois.

Consigne n°4

Rédiger un court paragraphe démontrant que l’œil complexe de la pieuvre et de la seiche et l’œil complexe de l’humain et du chat, sont le résultat d'une convergence évolutive*.

* La notion de convergence évolutive : en biologie de l’évolution, la convergence est la présence chez deux espèces de caractères analogues, d’une même adaptation, mais qui n’a pas été hérité d’un ancêtre commun. Elle résulte de deux évolutions indépendantes.

Consigne n°5

Trier les citations de la ressource n°4 en deux catégories :

Ressource n°1 : caractéristiques des êtres vivants étudiés

Éponge

L’éponge est un animal aquatique simple, composé de cellules organisées en tissus pluricellulaires. Elle ne possède ni organes ni système nerveux, mais son corps est soutenu par un squelette spongieux, souvent fait de spicules ou de fibres de collagène. Les éponges filtrent l’eau pour se nourrir et sont parmi les animaux les plus simples.


Système visuel : L’éponge n’a pas de système visuel. Elle ne possède ni photorécepteurs ni organes spécialisés pour détecter la lumière.


Lien avec le mode de vie : Comme les éponges sont fixées à un support et se nourrissent par filtration, elles n’ont pas besoin de détecter la lumière ou les mouvements. Leur mode de vie sédentaire ne nécessite pas de système visuel.

Abeille

L’abeille est un insecte aux cellules organisées en tissus pluricellulaires. Elle possède une bouche pour se nourrir, une symétrie bilatérale et un système nerveux ventral. Son corps est protégé par un squelette externe articulé, appelé exosquelette, qui lui permet de voler et de travailler efficacement dans la ruche.

Système visuel : L’abeille possède des yeux composés formés de nombreuses unités appelées ommatidies. Chaque ommatidie contient des cellules photoréceptrices, comme les cellules à bâtonnets, qui utilisent des opsines pour détecter différentes longueurs d’onde de la lumière. Cela lui permet de voir les couleurs, y compris l’ultraviolet, et de percevoir les mouvements rapidement.

Lien avec le mode de vie : La vision développée de l’abeille est essentielle pour repérer les fleurs, naviguer dans l’environnement et communiquer avec les autres abeilles. Sa capacité à voir les ultraviolets l’aide à détecter les motifs floraux invisibles pour l’humain.

Coccinelle

La coccinelle est un petit insecte dont le corps est composé de cellules formant des tissus pluricellulaires. Elle a une bouche pour se nourrir, une symétrie bilatérale et un système nerveux ventral. Comme tous les insectes, elle est protégée par un squelette externe articulé, qui lui donne sa forme ronde et colorée.





Système visuel : La coccinelle possède des yeux composés constitués d’ommatidies. Chaque ommatidie contient des cellules photoréceptrices équipées d’opsines, qui lui permettent de détecter la lumière et les mouvements. Cependant, sa vision est moins précise que celle des abeilles.

Lien avec le mode de vie : La coccinelle utilise sa vision pour repérer ses proies (comme les pucerons) et éviter les prédateurs. Bien que sa vision ne soit pas très détaillée, elle est suffisante pour ses besoins de survie et de reproduction.

Myxine

La myxine est un animal marin dont les cellules forment des tissus pluricellulaires. Elle possède une bouche, une symétrie bilatérale et un système nerveux dorsal protégé par un crâne. Cependant, elle n’a pas de vertèbres, ce qui en fait un animal unique parmi les vertébrés.

Système visuel : La myxine possède des cellules photoréceptrices simples, équipées d’opsines, qui captent la lumière et la convertissent en signaux nerveux. Ces cellules sont réparties dans une couche incurvée, permettant la détection de la lumière. Cependant, ses yeux sont très rudimentaires et ne lui permettent pas de former des images, mais seulement de détecter la présence de lumière.

Lien avec le mode de vie : La myxine vit souvent enfouie dans la vase ou à l’intérieur de carcasses de poissons, où la lumière est quasi absente. Sa vision rudimentaire lui suffit pour détecter les variations de luminosité, mais elle dépend surtout de son odorat et de son toucher pour se nourrir et se déplacer.

Lamproie

La lamproie est un animal aquatique aux cellules organisées en tissus pluricellulaires. Elle a une bouche en forme de ventouse, une symétrie bilatérale, un système nerveux dorsal protégé par un crâne et des vertèbres rudimentaires. C’est un prédateur ou un parasite qui se fixe sur d’autres poissons pour se nourrir.

Système visuel : La lamproie a des yeux bien développés. Ses cellules photoréceptrices, équipées d’opsines, captent la lumière et la convertissent en signaux nerveux. Elles sont réparties dans une couche incurvée et quasiment sphérique, permettant une détection des mouvements et une certaine vision panoramique. L’œil est rempli d’une substance transparente, qui maintient la forme de l’œil et favorise la transmission de la lumière. Il possède également un cristallin, qui ajuste la mise au point pour former des images relativement nettes et détecter les mouvements.

Lien avec le mode de vie : La lamproie utilise sa vision pour localiser ses hôtes ou ses proies dans l’eau. Sa capacité à détecter les mouvements et les formes est essentielle pour son mode de vie parasitaire ou prédateur.

Humain

L’humain est un mammifère dont les cellules forment des tissus pluricellulaires complexes. Il possède une bouche, une symétrie bilatérale, un système nerveux dorsal protégé par un crâne et des vertèbres (colonne vertébrale). Comme tous les mammifères, son corps est recouvert de poils. Il possède également une mâchoire articulée qui lui permet de mastiquer sa nourriture.

Système visuel :L’humain a des yeux très sophistiqués. Ses cellules photoréceptrices, les cônes et les bâtonnets, captent la lumière et la convertissent en signaux nerveux. Les cônes, équipés d'opsines spécialisées, sont responsables de la détection des couleurs, tandis que les bâtonnets, également équipés d'opsines, sont sensibles à la luminosité. Ces cellules sont réparties dans une couche totalement sphérique, permettant une vision panoramique et une meilleure détection des mouvements, formant ainsi un globe oculaire. L’œil est rempli d’une substance transparente, qui maintient la forme de l’œil et favorise la transmission de la lumière. Il est également équipé d’une cornée, qui protège l’œil et contribue à la focalisation de la lumière, ainsi que d’un cristallin, qui ajuste la mise au point pour une vision nette, en couleurs et en trois dimensions.

Lien avec le mode de vie : La vision précise et en couleurs de l’humain est essentielle pour ses activités quotidiennes, comme la chasse, la cueillette, la lecture, la reconnaissance des visages et la navigation dans des environnements complexes. Elle joue un rôle clé dans la communication et l’interaction sociale.

Chat

Le chat est un mammifère aux cellules organisées en tissus pluricellulaires. Il a une bouche, une symétrie bilatérale, un système nerveux dorsal protégé par un crâne et des vertèbres (colonne vertébrale). Son corps est recouvert de poils, comme tous les mammifères. Il a aussi une mâchoire articulée dotée de dents tranchantes adaptées à un régime carnivore.

Système visuel : Le chat a des yeux très développés, similaires à ceux de l’humain. Ses cellules photoréceptrices, les cônes et les bâtonnets, captent la lumière et la convertissent en signaux nerveux. Les cônes, équipés d'opsines spécialisées, sont responsables de la détection des couleurs, tandis que les bâtonnets, également équipés d'opsines, sont sensibles à la luminosité. Ces cellules sont réparties dans une couche totalement sphérique, permettant une vision panoramique et une meilleure détection des mouvements, formant ainsi un globe oculaire. L’œil est rempli d’une substance transparente, qui maintient la forme de l’œil et favorise la transmission de la lumière. Il est également équipé d’une cornée, qui protège l’œil et contribue à la focalisation de la lumière, ainsi que d’un cristallin, qui ajuste la mise au point pour une vision nette, même dans des conditions de faible luminosité. De plus, les chats possèdent une excellente vision nocturne grâce à une structure appelée tapetum lucidum, qui réfléchit la lumière dans l’œil pour maximiser la captation de la lumière ambiante.

Lien avec le mode de vie : Le chat est un prédateur nocturne et crépusculaire. Sa vision adaptée à la faible luminosité lui permet de chasser efficacement la nuit, tandis que sa perception des mouvements rapides est essentielle pour capturer des proies comme les souris ou les oiseaux.

Patelle

La patelle est un mollusque marin dont le corps est composé de cellules organisées en tissus pluricellulaires. Elle possède une bouche équipée d’une radula, une sorte de langue râpeuse, qui lui permet de brouter les algues sur les rochers. Son corps présente une symétrie bilatérale et est soutenu par un système nerveux ventral simple, adapté à son mode de vie sédentaire. Comme la plupart des mollusques, la patelle a un corps mou, protégé par une coquille conique qui lui permet de résister aux vagues et aux prédateurs.

Système visuel : La patelle possède des photorécepteurs simples, équipés d’opsines, qui captent la lumière et la convertissent en signaux nerveux. Ces cellules photosensibles lui permettent de détecter les changements de luminosité dans son environnement. Bien que sa vision ne soit pas très développée, elle est suffisante pour réagir aux ombres, ce qui l’aide à éviter les prédateurs ou à se protéger des conditions défavorables.

Lien avec le mode de vie : La patelle vit fixée aux rochers dans la zone intertidale, où elle est exposée à des conditions changeantes (marées, vagues, lumière). Sa capacité à détecter la lumière lui permet de réagir rapidement aux ombres, ce qui est essentiel pour sa survie dans cet environnement dynamique. Cependant, elle n’a pas besoin d’une vision précise, car elle se nourrit principalement d’algues immobiles et se déplace peu.

Ormeau

L’ormeau est un mollusque marin dont les cellules forment des tissus pluricellulaires. Il a une bouche pour se nourrir, une symétrie bilatérale et un système nerveux ventral. Son corps mou est protégé par une coquille en forme d’oreille, mais il n’a pas de squelette interne.

Système visuel : L’ormeau possède des cellules photoréceptrices simples, équipées d’opsines, qui captent la lumière et la convertissent en signaux nerveux. Elles sont réparties dans une couche incurvée, ce qui lui permet de détecter les changements de luminosité. Cependant, l’ormeau ne peut pas former des images claires, car ses cellules photoréceptrices ne permettent pas une vision nette ou détaillée.

Lien avec le mode de vie : L’ormeau vit fixé aux rochers et se nourrit d’algues. Sa capacité à détecter la lumière lui permet de réagir aux ombres, ce qui peut l’aider à éviter les prédateurs. Cependant, il n’a pas besoin d’une vision précise pour son mode de vie sédentaire.

Nautile

Le nautile est un mollusque marin aux cellules organisées en tissus pluricellulaires. Il possède une bouche, une symétrie bilatérale, un système nerveux ventral et un corps mou. Il est équipé de nombreux tentacules pour capturer ses proies et sa coquille spiralée lui sert de flotteur.

Système visuel : Le nautile a des yeux simples sans cornée ni cristallin. Ses cellules photoréceptrices, équipées d’opsines, captent la lumière et la convertissent en signaux nerveux. Elles sont réparties dans une couche incurvée et quasiment sphérique, permettant une détection de la lumière et des ombres. L’œil est rempli d’une substance transparente, qui maintient la forme de l’œil et favorise la transmission de la lumière. Cependant, sa vision est limitée à la détection de la lumière et des ombres, sans la capacité de former des images nettes.

Lien avec le mode de vie : Le nautile vit dans les profondeurs océaniques, où la lumière est rare. Sa vision rudimentaire lui permet de détecter les mouvements et les variations de luminosité, ce qui est suffisant pour éviter les dangers et localiser ses proies dans cet environnement sombre.

Seiche

La seiche est un mollusque marin dont les cellules forment des tissus pluricellulaires. Elle a une bouche, une symétrie bilatérale, un système nerveux ventral et un corps mou. Elle possède des tentacules pour attraper ses proies et une coquille interne légère, appelée os de seiche, qui lui donne une certaine rigidité.

Système visuel : La seiche a des yeux très développés. Ses cellules photoréceptrices, équipées d’opsines, captent la lumière et la convertissent en signaux nerveux. Elles sont réparties dans une couche totalement sphérique, permettant une vision panoramique et une meilleure détection des mouvements, formant ainsi un globe oculaire. L’œil est rempli d’une substance transparente, qui maintient la forme de l’œil et favorise la transmission de la lumière. Il est également équipé d’une cornée, qui protège l’œil et contribue à la focalisation de la lumière, ainsi que d’un cristallin, qui ajuste la mise au point pour une vision nette et permet de détecter les couleurs.

Lien avec le mode de vie : La seiche est un prédateur actif qui chasse des proies rapides comme les poissons et les crustacés. Sa vision précise et sa perception des couleurs lui permettent de repérer ses proies, de communiquer avec ses congénères grâce à ses changements de couleur, et d’éviter les prédateurs.

Pieuvre

La pieuvre est un mollusque céphalopode dont le corps est composé de cellules organisées en tissus pluricellulaires. Elle possède une bouche entourée de huit bras musclés et équipés de ventouses, qui lui permettent de capturer ses proies avec une grande précision. Son corps présente une symétrie bilatérale et est soutenu par un système nerveux ventral très développé, notamment au niveau de ses bras et de son cerveau complexe. Comme la plupart des mollusques, la pieuvre a un corps mou, mais elle est capable de changer de forme et de texture pour se camoufler ou se faufiler dans des espaces étroits.

Système visuel : La pieuvre possède des photorécepteurs hautement spécialisés, équipés d’opsines, qui captent la lumière et la convertissent en signaux nerveux. Ces photorécepteurs sont répartis dans une couche totalement sphérique, permettant une vision panoramique et une meilleure détection des mouvements, formant ainsi un globe oculaire complexe. Ses yeux sont remplis d’une substance transparente, maintenant la forme de l’œil et favorisant la transmission de la lumière. Ils sont également équipés d’une cornée, qui protège l’œil et contribue à la focalisation de la lumière, ainsi que d’un cristallin, qui ajuste la mise au point pour une vision nette à différentes distances.

Lien avec le mode de vie : La pieuvre est un prédateur actif et intelligent, qui utilise sa vision pour chasser, naviguer dans son environnement et communiquer avec ses congénères. Ses yeux lui permettent de détecter les mouvements, les formes et les couleurs, ce qui est essentiel pour repérer ses proies, éviter les prédateurs et interagir avec son environnement complexe. Sa capacité à voir dans des conditions de faible luminosité est également un atout pour chasser la nuit ou dans les profondeurs marines.

Ressource n°2 : modélisation de l'évolution de l'œil

L'article scientifique "A Pessimistic Estimate of the Time Required for an Eye to Evolve" de Dan-E. Nilsson et Susanne Pelger (1994) explore le temps nécessaire à l'évolution d'un œil fonctionnel à partir d'une couche de photorécepteurs plane ("stage 1").

Les auteurs utilisent une approche de modélisation mathématique pour estimer la vitesse à laquelle un œil complexe (globe oculaire contenant un fluide transparent, un cristallin et une cornée) pourrait évoluer par mutations et sélection naturelle.

Ils supposent des changements progressifs de structures déjà existantes, avec de légères améliorations à chaque étape.

L'évolution de l'œil suit une série de transformations graduelles, impliquant des modifications de la courbure de la couche de photorécepteurs, l'ajout d'un cristallin et l'amélioration de la résolution optique.

Ils supposent une variation génétique continue et que chaque amélioration confère un avantage sélectif.

Par exemple, un animal pourvu de l’innovation évolutive « présence d’un cristallin » (stade 6) sera avantagé par rapport à la sélection naturelle (meilleure chance de survie et de reproduction) par rapport à un animal qui n’en possède pas (stade 5).

Les calculs prennent en compte :

En utilisant un modèle mathématique, les auteurs concluent que l'évolution d'un œil pourrait se produire en moins de 400 000 ans.

Ce chiffre est bien inférieur aux échelles de temps géologiques, ce qui démontre la plausibilité de l'évolution rapide d'organes complexes.

Ressource n°3 : consensus scientifique sur l'évolution de l'oeil

Aujourd'hui, il existe un large consensus scientifique sur l'idée que l'évolution des yeux résulte d'un processus évolutif graduel, impliquant des mutations successives et la sélection naturelle. 

Le consensus scientifique sur l'évolution de l'œil humain repose sur plusieurs éléments de preuve convergents provenant de domaines comme la biologie, la génétique, la paléontologie et l'anatomie comparée. Bien que l'œil humain soit une structure complexe, les scientifiques ont pu retracer son évolution à travers une série de stades intermédiaires, en montrant que des formes simples d'organes de la vue ont évolué au fil du temps.

Voici quelques raisons expliquant ce consensus :

En résumé, les scientifiques s'accordent à dire que l'évolution des yeux a suivi un processus de mutations progressives, d'innovations adaptatives et de sélection naturelle, entraînant la diversité et la complexité des yeux dans le règne animal. Ce processus évolutif est largement documenté à travers des recherches en biologie évolutive, génétique, anatomie comparée et écologie.

Ressource n°4 : citations critiques sur l'évolution de l'œil

Citation 1 : Charles Darwin

"Supposer que l'œil, avec tous ses inimitables dispositifs pour ajuster la focalisation à différentes distances, pour admettre différentes quantités de lumière, et pour la correction des aberrations sphériques et chromatiques, ait pu se former par sélection naturelle, semble, je l'avoue librement, absurde au plus haut degré." (L'Origine des espèces, 1859)

Charles Darwin

Considéré comme l'un des plus grands scientifiques de l'histoire, fondateur de la théorie de l'évolution par sélection naturelle.

Des centaines de publications, principalement dans des revues scientifiques de l'époque.

Publiait dans des revues de grande réputation comme The Journal of the Linnean Society, Nature (lors de sa création).

Citation 2 : Charles Darwin

"Le fait que l'œil, un organe d'une grande complexité, puisse avoir évolué par de petites modifications successives, chacune étant bénéfique à l'organisme, est l'un des plus étonnants témoignages de la puissance de la sélection naturelle."

"L’œil, avec toute sa complexité, peut sembler difficile à expliquer par la sélection naturelle. Mais si nous supposons que des formes plus simples d'organes de la vue ont existé dans des ancêtres lointains, la complexité actuelle de l'œil devient compréhensible."

 (L'Origine des espèces, 1859)

Citation 3 : Richard Dawkins

"L'œil humain n'a pas été conçu de manière intelligente, il est le produit de millions d'années de mutations, de hasard et de sélection naturelle. C'est un mécanisme d'une incroyable complexité, mais il a évolué lentement à partir de formes plus simples." (L'Horloger aveugle, 1986)

Richard Dawkins

Biologiste de renommée mondiale, auteur de plusieurs livres influents. Professeur à l'Université d'Oxford.

Plus de 200 publications scientifiques, principalement en biologie et évolution.

Publie principalement dans des revues prestigieuses comme Nature, Proceedings of the Royal Society, et Science.

Citation 4 : Michael Behe

"Les systèmes biologiques complexes, comme l'œil, sont composés de multiples parties interconnectées. Le retrait d'une seule de ces parties entraîne la défaillance complète du système, ce qui suggère qu'ils ne peuvent pas être le produit d'une évolution graduelle." (Darwin's Black Box, 1996)

Michael Behe

Biochimiste dont la réputation dans le domaine est partagée et souvent sujette à débat.

Moins de 30 publications scientifiques, principalement en biochimie.

Publie dans des revues spécialisées comme Biochemistry et The Journal of Molecular Biology, mais souvent critiqué pour ses biais idéologiques.

Citation 5 : Stephen Jay Gould

"L'œil humain n'est qu'une des nombreuses versions de cet organe qui ont évolué au fil des âges géologiques. Des yeux simples ont muté au fil du temps pour devenir des organes aussi complexes que ceux que l'on observe aujourd'hui." (Full House: The Spread of Excellence from Plato to Darwin, 1996)

Stephen Jay Gould

Paléontologue et biologiste, considéré comme l'un des penseurs les plus influents du 20e siècle. A écrit des ouvrages de vulgarisation scientifique.

Plus de 100 publications scientifiques, principalement en paléontologie et biologie.

A publié dans des revues de grande réputation comme Paleobiology, Nature, et The Journal of Evolutionary Biology.

Citation 6 : David Berlinski

"L'idée que des processus évolutifs aveugles puissent produire l'œil humain avec toutes ses composantes parfaitement intégrées défie la logique et l'expérience. "(Déclaration dans plusieurs écrits et interviews, années 2000)

David Berlinski

Philosophe et écrivain, ses contributions scientifiques sont souvent perçues comme marginales.

Moins de 50 publications scientifiques, principalement en mathématiques et philosophie des sciences.

Ses publications sont principalement dans des revues de philosophie et de mathématiques, mais ses travaux scientifiques sont souvent jugés périphériques.

Citation 7 : Jonathan Wells

"L'œil est souvent cité comme un exemple de l'efficacité de la sélection naturelle, mais les explications proposées par les darwinistes sont insuffisantes pour démontrer comment une telle structure complexe a pu émerger sans un plan intelligent." (Icons of Evolution, années 2000)

Jonathan Wells

Biologiste, ses publications scientifiques sont rares et ses travaux sont souvent critiqués pour leur manque de rigueur.

Moins de 10 publications scientifiques.

Très peu de publications dans des revues scientifiques reconnues. Ses travaux sont principalement publiés dans des revues à comité de lecture moins prestigieuses.

Citation 8 : Neil Shubin

"La complexité de l'œil humain n'est pas un produit d'une seule mutation génétique, mais le résultat de centaines de millions d'années de petites modifications successives qui ont permis à nos ancêtres de mieux percevoir leur environnement." (Your Inner Fish, années 2008)

Neil Shubin

Professeur à l'Université de Chicago, paléontologue et biologiste évolutionniste, auteur de nombreux articles et de livres de vulgarisation scientifique.

Plus de 100 publications scientifiques, principalement en paléontologie et biologie évolutive.

A publié dans des revues très respectées comme Nature, Science, et Proceedings of the National Academy of Sciences.

Citation 9 : Jerry Coyne

"L'œil humain a évolué par une série de petites étapes, chacune apportant un avantage sélectif, à partir d'une structure initialement rudimentaire capable uniquement de détecter la lumière." (Why Evolution Is True, années 2009)

Jerry Coyne

Professeur à l'Université de Chicago, généticien et biologiste, auteur de plusieurs ouvrages scientifiques populaires.

Plus de 100 publications scientifiques, principalement en génétique et biologie évolutionniste.

A publié dans des revues majeures telles que Nature, The American Naturalist, et Evolution.