Sciences de la vie et de la Terre

L’histoire évolutive des Cétacés

01 / 06 / 2016 | Frédérique Théry

Niveau : 2nde
Lien avec le programme : L’état actuel de la biodiversité correspond à une étape de l’histoire du monde vivant : les espèces actuelles représentent une infime partie du total des espèces ayant existé depuis les débuts de la vie.
Au sein de la biodiversité, des parentés existent qui fondent les groupes d’êtres vivants. Ainsi, les vertébrés ont une organisation commune.
Les parentés d’organisation des espèces d’un groupe suggèrent qu’elles partagent toutes un ancêtre commun.

Exploitation possible : à partir des ressources mises à votre disposition : 1) montrer que la biodiversité se modifie au cours du temps ; 2) montrer que les Cétacés actuels et fossiles sont des vertébrés ; 3) préciser les relations de parenté entre les Cétacés et les autres groupes de vertébrés.

Document 1. Quelques squelettes de Cétacés actuels.

  • Squelette de baleine australe (© MNHN – Bernard Faye)

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  • Squelette de dauphin bleu et blanc (longueur : 1,70 m) (© Éditions Xavier Barral, cliché Patrick Gries – collections MNHN)

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  • Squelettes de narval (longueur : 6,30 m) (gauche) et de globicéphale (longueur : 4,45 m) (droite) (© Éditions Xavier Barral, cliché Patrick Gries – collections MNHN)

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Document 2. Deux vidéos pour comprendre l’histoire évolutive des Cétacés.

  • Vidéo extraite du DVD « La Terre, le temps, le vivant. Histoire de la vie et évolution. » : « Les pattes des baleines » (CNDP) : http://www.cndp.fr/evolution-des-es... (durée : 3’17).

Document 3. Quelques Cétacés fossiles.

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Source : dossier de presse de l’exposition « Incroyables Cétacés ! » : http://www.grandegaleriedelevolutio...

Document 3a. Pakicetus, un Cétacé fossile terrestre (50 millions d’années).

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Squelette de Pakicetus attocki, Cétacé terrestre de l’Eocène du Pakistan, âgé d’environ 50 millions d’années (© B. Faye/MNHN).

« De la taille d’un loup, cet animal a d’abord été identifié, au début des années 1980, à partir d’un fragment de crâne et de quelques dents.
C’est seulement en 2001 que son squelette a été décrit. La région auditive indique que Pakicetus était un cétacé, tandis que son squelette postcrânien est celui d’un artiodactyle (regroupant bovins, ovins, antilopes, chameaux, cochons, girafes, hippopotames). On appelle alors l’ensemble des artiodactyles et cétacés les cétartiodactyles. Pakicetus avait un cou allongé, une colonne vertébrale rigide dans la région lombaire, des membres locomoteurs fins et allongés : c’était un animal coureur et digitigrade (pendant la course, seuls ses doigts touchaient le sol).
Comme les artiodactyles, Pakicetus possédait une cheville particulière. L’astragale (l’os qui s’articule avec le tibia et la deuxième rangée du tarse) était « à double poulie », ce qui améliorait les performances de l’articulation lors de la course. Avant d’être nageurs, les cétacés étaient coureurs. »

Source : http://www.docsciences.fr/Squelette...

Document 3b. Ambulocetus natans, un Cétacé amphibie (48 millions d’années).

« Ambulocetus natans (le Cétacé marcheur qui nage) a 48 millions d’années ; c’est un animal de grande taille qui possède toujours quatre membres bien individualisés. Mais ses membres postérieurs sont très développés et ses pieds, tout particulièrement, sont très allongés. Les proportions des pieds sont semblables à celles de la loutre marine, un carnivore très bien adapté à la nage. De plus, comme chez les loutres, ses phalanges sont aplaties. Il est donc clair que les membres postérieurs d’Ambulocetus sont ceux d’un bon nageur. Il se déplaçait probablement par ondulations de la colonne vertébrale et des membres postérieurs dans un plan vertical, comme les loutres marines. (…)
Les membres postérieurs d’Ambulocetus sont toujours reliés à la colonne vertébrale par un bassin articulé au sacrum comme chez tous les mammifères terrestres. Ceci indique qu’il était capable de se déplacer au sol. Ambulocetus était donc un Cétacé amphibie présentant un degré d’adaptation au milieu aquatique semblable à celui des otaries actuelles. (…)
Ambulocetus constitue la forme intermédiaire par excellence entre les mammifères terrestres et les Cétacés actuels, totalement inféodés au milieu aquatique. C’était aussi un redoutable prédateur. »

Source : « Incroyables Cétacés ! », Les éditions du Muséum / Editions de Monza (2008), p. 16.

Document 3c. Dorudon, Cynthiacetus et Basilosaurus : des Cétacés inféodés au milieu aquatique (40 millions d’années).

Représentation du squelette d'un Archéocète fossile : Dorudon atrox (longueur : 5 m ; âge : 36,5 millions d'années)

Représentation du squelette d’un Archéocète fossile : Dorudon atrox (longueur : 5 m ; âge : 36,5 millions d’années)

Source : P.D. Gingerich et al., « New Protocetid whale from the middle Eocene of Pakistan : birth on land, precocial development, and sexual dimorphism » (2009), PLoS ONE, 4, e4366.

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Squelette fossile d’un Archéocète : Cynthiacetus peruvianus (© Bernard Faye / MNHN)

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Squelette fossile d’un Archéocète : Basilosaurus, Wadi El-Hitan, Egypte.

« A la fin de l’Eocène, vers 40 millions d’années, apparaissent des Cétacés de grande taille dont l’adaptation au milieu aquatique est encore plus avancée. Dorudon (5 m de long), Cynthiacetus et Basilosaurus (15 m de long) ne sont plus amphibies, mais sont totalement dépendants du milieu aquatique. (…)
Dorudon, Cynthiacetus et Basilosaurus ont des membres postérieurs atrophiés considérablement réduits en taille et qui ne peuvent avoir un rôle ni dans la nage ni dans la locomotion au sol. De plus, le bassin n’est plus articulé avec la colonne vertébrale et ne peut de ce fait soutenir le reste du corps. Les membres antérieurs sont transformés en palettes natatoires et ressemblent plus à ceux des Cétacés actuels qu’à ceux d’Ambulocetus ou à fortiori de Pakicetus. La queue présente des vertèbres caudales très arrondies qui dénotent la présence d’une « nageoire » caudale, véritable battoir dont les mouvements verticaux assurent la propulsion de l’animal.
Dorudon, Cynthiacetus et Basilosaurus ont donc atteint un degré d’adaptation au milieu aquatique semblable à celui des Cétacés actuels. »

Source : « Incroyables Cétacés ! », Les éditions du Muséum / Editions de Monza (2008), p. 18.

Document 4. Cétacés, relations de parenté au sein des vertébrés et utilisation du logiciel Phylogène.

  • Mise en évidence des points communs dans l’organisation du squelette, puis du membre antérieur du crapaud, du dauphin, de l’homme et de la mésange : collection « vertébrés-lycée » → Activité « comparer » → données anatomiques → organe locomoteur.

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  • Comparaison de l’astragale chez l’hippopotame, Pakicetus, Ambulocetus et Rodhocetus (Cétacé amphibie âgé d’environ 47 millions d’années) : collection « Cétancodontes » → Activité « comparer » → données anatomiques → astragale.

Note : chez les artiodactyles (mammifères ongulés à nombre pair de doigts, tels que les vaches, cerfs, antilopes, chameaux, cochons, hippopotames), l’articulation de la cheville, très mobile, contient un os, l’astragale, qui est à double poulie. Cette morphologie de l’astragale n’existe chez aucun autre mammifère. Chez Pakicetus et Rhodocetus, le membre postérieur possède un astragale à double poulie, démontrant les relations de parenté étroites des Cétacés avec les artiodactyles.

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  • Construction d’une matrice de caractères et d’un arbre phylogénétique (exemple n°1) :
    • Sélectionner la collection « Cétancodontes ».
    • Construire une matrice de caractères :
      • en choisissant les espèces : Basilosaurus, Dauphin, Hippopotame, Pakicetus ;
      • en choisissant les caractères : membre antérieur, molaires, vertèbres cervicales.

Consigne pour les élèves : construire la matrice de caractères, puis placer les innovations évolutives sur l’arbre phylogénétique. Placer sur l’arbre l’ancêtre commun à tous les Cétacés, et entourer le groupe des Cétacés.

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  • Construction d’une matrice de caractères et d’un arbre phylogénétique (exemple n°2) :
    • Sélectionner la collection « vertébrés-lycée ».
    • Construire une matrice de caractères :
      • en choisissant les espèces : crapaud, dauphin, homme, lézard, sardine ;
      • en choisissant les caractères : crâne et vertèbres, pièces basales, poils, squelette, vertèbres cervicales.

Consigne pour les élèves : construire la matrice de caractères, puis placer les innovations évolutives sur l’arbre phylogénétique. Placer sur l’arbre l’ancêtre commun au dauphin et à l’homme, et entourer le groupe des Mammifères, qui se caractérise par la présence de poils.

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Ressources complémentaires :

  • « Incroyables Cétacés ! », Les éditions du Muséum / Editions de Monza (2008). Chapitre « De la Terre à la mer, en 50 millions d’années » (p. 12-21).
  • Dossier de presse de l’exposition « Incroyables Cétacés ! » (pages 6 à 11) : http://www.grandegaleriedelevolutio...
  • G. Lecointre et H. Le Guyader, « Classification phylogénétique du vivant », Belin (2001), p. 474-477.
 

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