Symétrie en biologie - Symmetry in biology

Une sélection d'animaux présentant une gamme de symétries corporelles possibles, y compris des plans corporels asymétriques, radiaux et bilatéraux
Caricature illustrant la différence entre la symétrie bilatérale ( drosophile ), radiale ( fleurs actinomorphes ) et sphérique ( bactérie coccus )

La symétrie en biologie fait référence à la symétrie observée dans les organismes , y compris les plantes, les animaux, les champignons et les bactéries . La symétrie externe peut être facilement vue en regardant simplement un organisme. Par exemple, prenez le visage d'un être humain qui a un plan de symétrie en son centre, ou une pomme de pin avec un motif en spirale symétrique clair. Les caractéristiques internes peuvent également présenter une symétrie, par exemple les tubes du corps humain (responsables du transport des gaz , des nutriments et des déchets) qui sont cylindriques et ont plusieurs plans de symétrie.

La symétrie biologique peut être considérée comme une distribution équilibrée de parties ou de formes du corps en double dans le corps d'un organisme. Il est important de noter que, contrairement aux mathématiques, la symétrie en biologie est toujours approximative. Par exemple, les feuilles des plantes – bien que considérées comme symétriques – correspondent rarement exactement lorsqu'elles sont pliées en deux. La symétrie est une classe de modèles dans la nature par laquelle il est proche de la répétition de l'élément de motif, que ce soit par réflexion ou rotation .

Alors que les éponges et les placozoaires représentent deux groupes d'animaux qui ne présentent aucune symétrie (c'est-à-dire qu'ils sont asymétriques), les plans corporels de la plupart des organismes multicellulaires présentent et sont définis par une certaine forme de symétrie. Il n'y a que quelques types de symétrie possibles dans les plans corporels. Ce sont des symétries radiale (cylindrique), bilatérale , biradiale et sphérique . Alors que la classification des virus en « organisme » reste controversée, les virus contiennent également une symétrie icosaédrique .

L'importance de la symétrie est illustrée par le fait que les groupes d'animaux ont traditionnellement été définis par cette caractéristique dans les groupements taxonomiques . Les Radiata , animaux à symétrie radiale, formaient l'une des quatre branches de la classification du règne animal de Georges Cuvier . Pendant ce temps, Bilateria est un groupe taxonomique encore utilisé aujourd'hui pour représenter des organismes à symétrie bilatérale embryonnaire .

Symétrie radiale

Les organismes à symétrie radiale présentent un motif répétitif autour d'un axe central, de sorte qu'ils peuvent être séparés en plusieurs morceaux identiques lorsqu'ils sont coupés à travers le point central, un peu comme des morceaux de tarte. En règle générale, cela implique de répéter une partie du corps 4, 5, 6 ou 8 fois autour de l'axe - appelées respectivement tétramérisme, pentamérisme, hexamérisme et octomérisme. De tels organismes ne présentent aucun côté gauche ou droit mais ont une surface supérieure et une surface inférieure, ou un avant et un arrière.

George Cuvier a classé les animaux à symétrie radiale dans le taxon Radiata ( Zoophytes ), qui est maintenant généralement accepté comme un assemblage de différents phylums animaux qui ne partagent pas un seul ancêtre commun (un groupe polyphylétique ). La plupart des animaux à symétrie radiale sont symétriques autour d'un axe s'étendant du centre de la surface buccale, qui contient la bouche , au centre de l'extrémité opposée (aborale). Les animaux des phyla Cnidaria et Echinodermata présentent généralement une symétrie radiale, bien que de nombreuses anémones de mer et certains coraux des Cnidaria aient une symétrie bilatérale définie par une structure unique, le siphonoglyphe . La symétrie radiale est particulièrement adaptée aux animaux sessiles tels que l'anémone de mer, aux animaux flottants tels que les méduses et aux organismes lents tels que les étoiles de mer ; alors que la symétrie bilatérale favorise la locomotion en générant un corps profilé .

De nombreuses fleurs sont également à symétrie radiale, ou « actinomorphes ». Des structures florales à peu près identiques – pétales , sépales et étamines – se produisent à intervalles réguliers autour de l'axe de la fleur, qui est souvent l' organe reproducteur femelle contenant le carpelle , le style et le stigmate .

Lilium bulbiferum présente un hexamérisme avec des parties répétées disposées autour de l'axe de la fleur.

Sous-types de symétrie radiale

Certaines méduses, comme Aurelia marginalis , présentent un tétramérisme avec une symétrie radiale quadruple. Ceci est immédiatement évident lorsqu'on regarde la méduse en raison de la présence de quatre gonades , visibles à travers son corps translucide . Cette symétrie radiale est écologiquement importante car elle permet aux méduses de détecter et de répondre aux stimuli (principalement de la nourriture et du danger) dans toutes les directions.

Texte alternatif
Pomme coupée horizontalement montrant que le pentamérisme se produit également dans les fruits

Les plantes à fleurs présentent une symétrie quintuple, ou pentamère, dans bon nombre de leurs fleurs et fruits. Ceci est facilement visible à travers la disposition de cinq carpelles (poches de graines) dans une pomme lorsqu'elle est coupée transversalement . Chez les animaux, seuls les échinodermes tels que les étoiles de mer , les oursins et les nénuphars sont pentamères à l'âge adulte, avec cinq bras disposés autour de la bouche. Étant des animaux bilatériens, cependant, ils se développent initialement avec une symétrie miroir en tant que larves, puis acquièrent une symétrie pentaradiale plus tard.

L'hexamérisme se retrouve chez les coraux et les anémones de mer (classe Anthozoa ), qui sont divisés en deux groupes en fonction de leur symétrie. Les coraux les plus communs de la sous - classe Hexacorallia ont un plan corporel hexamérique ; leurs polypes ont une symétrie interne sextuple et un nombre de tentacules multiple de six.

L'octamérisme se trouve dans les coraux de la sous - classe Octocorallia . Ceux-ci ont des polypes avec huit tentacules et une symétrie radiale octamère. La pieuvre a cependant une symétrie bilatérale, malgré ses huit bras.

La symétrie triradiale était présente dans les Trilobozoa à partir de la période de l' Édiacarien supérieur .

Symétrie icosaédrique

Texte alternatif
Les virus de la gastro-entérite ont une symétrie icosaédrique

La symétrie icosaédrique se produit dans un organisme qui contient 60 sous-unités générées par 20 faces, chacune un triangle équilatéral et 12 coins. Au sein de l' icosaèdre, il existe une symétrie d'ordre 2, 3 et 5 . De nombreux virus, dont le parvovirus canin , présentent cette forme de symétrie due à la présence d'une enveloppe virale icosaédrique . Une telle symétrie a évolué car elle permet à la particule virale d'être constituée de sous-unités répétitives constituées d'un nombre limité de protéines structurelles (codées par des gènes viraux ), économisant ainsi de l'espace dans le génome viral . La symétrie icosaédrique peut toujours être maintenue avec plus de 60 sous-unités, mais uniquement dans des facteurs de 60. Par exemple, le virus T=3 Tomato bushy stunt a 60x3 sous-unités protéiques (180 copies de la même protéine structurelle). Bien que ces virus soient souvent qualifiés de « sphériques », ils ne présentent pas de véritable symétrie sphérique mathématique.

Au début du 20e siècle, Ernst Haeckel a décrit (Haeckel, 1904) un certain nombre d'espèces de Radiolaires , dont certains squelettes ont la forme de divers polyèdres réguliers. Les exemples incluent Circoporus octahedrus , Circogonia icosaedra , Lithocubus geometryus et Circorrhegma dodecahedra . Les formes de ces créatures devraient être évidentes à partir de leurs noms. La symétrie tétraédrique n'est pas présente chez Callimra agnesae .

Symétrie sphérique

Texte alternatif
Volvox est une algue verte d'eau douce microscopiqueà symétrie sphérique. De jeunes colonies peuvent être vues à l'intérieur des plus grandes.

La symétrie sphérique est caractérisée par la capacité de dessiner un nombre infini, ou grand mais fini, d'axes de symétrie à travers le corps. Cela signifie que la symétrie sphérique se produit dans un organisme s'il peut être coupé en deux moitiés identiques à travers n'importe quelle coupe qui traverse le centre de l'organisme. La véritable symétrie sphérique ne se trouve pas dans les plans corporels des animaux. Les organismes qui présentent une symétrie sphérique approximative comprennent l'algue verte d'eau douce Volvox .

Les bactéries sont souvent désignées comme ayant une forme « sphérique ». Les bactéries sont classées en fonction de leur forme en trois classes : les cocci (en forme de sphérique), les bacilles (en forme de bâtonnet) et les spirochètes (en forme de spirale). En réalité, il s'agit d'une simplification excessive, car les cellules bactériennes peuvent être courbées, courbées, aplaties, des sphéroïdes oblongs et bien d'autres formes. En raison du grand nombre de bactéries considérées comme des cocci (coccus s'il s'agit d'une seule cellule), il est peu probable que toutes présentent une véritable symétrie sphérique. Il est important de faire la distinction entre l'utilisation généralisée du mot « sphérique » pour décrire les organismes à l'aise, et le vrai sens de la symétrie sphérique. La même situation est observée dans la description des virus – les virus « sphériques » ne présentent pas nécessairement une symétrie sphérique, étant généralement icosaédriques.

Symétrie bilatérale

Les organismes à symétrie bilatérale contiennent un seul plan de symétrie, le plan sagittal , qui divise l'organisme en deux moitiés gauche et droite grossièrement en miroir - symétrie de réflexion approximative.

Texte alternatif
Le petit papillon empereur, Saturnia pavonia , présente un motif déimatique avec une symétrie bilatérale.
Texte alternatif
La fleur d' orchidée abeille ( Ophrys apifera ) est à symétrie bilatérale ( zygomorphe ). Le labelle de la fleur ressemble à l'abdomen (bilatéralement symétrique) d'une abeille femelle ; la pollinisation se produit lorsqu'une abeille mâle tente de s'accoupler avec elle.

Les animaux à symétrie bilatérale sont classés dans un grand groupe appelé bilateria qui contient 99% de tous les animaux (comprenant plus de 32 phylums et 1 million d'espèces décrites). Tous les bilatériens ont des caractéristiques asymétriques ; par exemple, le cœur et le foie humains sont positionnés de manière asymétrique malgré le corps ayant une symétrie bilatérale externe.

La symétrie bilatérale des bilatériens est un trait complexe qui se développe grâce à l' expression de nombreux gènes . Les bilatéries ont deux axes de polarité . Le premier est un axe antéro - postérieur (AP) qui peut être visualisé comme un axe imaginaire allant de la tête ou de la bouche à la queue ou à une autre extrémité d'un organisme. Le second est l' axe dorsal - ventral (DV) qui est perpendiculaire à l'axe AP. Pendant le développement, l'axe AP est toujours spécifié avant l'axe DV.

L'axe AP est essentiel pour définir la polarité des bilatéries et permettre le développement d'un avant et d'un arrière pour donner une direction à l'organisme. L'extrémité avant rencontre l'environnement avant le reste du corps, de sorte que les organes sensoriels tels que les yeux ont tendance à s'y regrouper. C'est aussi le site où se développe la bouche car c'est la première partie du corps à rencontrer la nourriture. Par conséquent, une tête distincte, avec des organes des sens connectés à un système nerveux central, a tendance à se développer. Ce modèle de développement (avec une tête et une queue distinctes) est appelé céphalisation . Il est également soutenu que le développement d'un axe AP est important dans la locomotion - la symétrie bilatérale donne au corps une direction intrinsèque et permet à la rationalisation de réduire la traînée .

En plus des animaux, les fleurs de certaines plantes présentent également une symétrie bilatérale. Ces plantes sont appelées zygomorphes et comprennent les familles des orchidées ( Orchidaceae ) et des pois ( Facaceae ), et la plupart de la famille des figworts ( Scrofulariaceae ). Les feuilles des plantes présentent également généralement une symétrie bilatérale approximative.

Symétrie biradiale

La symétrie biradiale se trouve chez les organismes qui présentent des caractéristiques morphologiques (internes ou externes) de symétrie à la fois bilatérale et radiale. Contrairement aux organismes à symétrie radiale qui peuvent être divisés également le long de plusieurs plans, les organismes biradiaux ne peuvent être coupés également que le long de deux plans. Cela pourrait représenter une étape intermédiaire dans l'évolution de la symétrie bilatérale à partir d'un ancêtre à symétrie radiale.

Le groupe d'animaux présentant la symétrie biradiale la plus évidente est celui des cténophores . Dans les cténophores, les deux plans de symétrie sont (1) le plan des tentacules et (2) le plan du pharynx. En plus de ce groupe, des preuves d'une symétrie biradiale ont même été trouvées dans le polype d'eau douce « parfaitement radial » Hydra (un cnidaire). La symétrie biradiale, en particulier lorsque l'on considère à la fois les caractéristiques internes et externes, est plus courante qu'on ne le pensait à l'origine.

Évolution de la symétrie

Comme tous les traits des organismes, la symétrie (voire l'asymétrie) évolue grâce à un avantage pour l'organisme – un processus de sélection naturelle . Cela implique des changements dans la fréquence des gènes liés à la symétrie au fil du temps.

Évolution de la symétrie chez les plantes

Les plantes à floraison précoce avaient des fleurs à symétrie radiale, mais depuis lors, de nombreuses plantes ont développé des fleurs à symétrie bilatérale. L'évolution de la symétrie bilatérale est due à l' expression des gènes CYCLOIDEA . La preuve du rôle de la famille de gènes CYCLOIDEA provient de mutations dans ces gènes qui provoquent un retour à la symétrie radiale. Les gènes de CYCLOIDEA codent pour des facteurs de transcription , des protéines qui contrôlent l'expression d'autres gènes. Cela permet à leur expression d'influencer les voies de développement liées à la symétrie. Par exemple, chez Antirrhinum majus , CYCLOIDEA est exprimé au début du développement dans le domaine dorsal du méristème floral et continue à être exprimé plus tard dans les pétales dorsaux pour contrôler leur taille et leur forme. On pense que l'évolution des pollinisateurs spécialisés peut jouer un rôle dans la transition des fleurs à symétrie radiale vers des fleurs à symétrie bilatérale.

Évolution de la symétrie chez les animaux

La symétrie est souvent choisie pour l'évolution des animaux. Ce n'est pas surprenant car l'asymétrie est souvent une indication d'inaptitude - soit des défauts au cours du développement, soit des blessures tout au long de la vie. Ceci est le plus évident lors de l'accouplement au cours duquel les femelles de certaines espèces sélectionnent des mâles aux caractéristiques très symétriques. Par exemple, la symétrie faciale influence les jugements humains sur l'attractivité humaine. De plus, les hirondelles rustiques femelles , une espèce où les adultes ont de longues banderoles à queue, préfèrent s'accoupler avec des mâles qui ont les queues les plus symétriques.

Alors que la symétrie est connue pour être sous sélection, l'histoire évolutive des différents types de symétrie chez les animaux est un domaine de débat approfondi. Traditionnellement, il a été suggéré que les animaux bilatéraux ont évolué à partir d'un ancêtre radial . Les cnidaires , un phylum contenant des animaux à symétrie radiale, sont le groupe le plus étroitement lié aux bilatériens. Les cnidaires sont l'un des deux groupes d'animaux primitifs considérés comme ayant une structure définie, le second étant les cténophores . Les cténophores présentent une symétrie biradiale, ce qui suggère qu'ils représentent une étape intermédiaire dans l'évolution de la symétrie bilatérale à partir de la symétrie radiale.

Les interprétations basées uniquement sur la morphologie ne suffisent pas à expliquer l'évolution de la symétrie. Deux explications différentes sont proposées pour les différentes symétries chez les cnidaires et les bilatéries. La première suggestion est qu'un animal ancestral n'avait pas de symétrie (était asymétrique) avant que les cnidaires et les bilatériens ne se séparent en différentes lignées évolutives . La symétrie radiale pourrait alors avoir évolué chez les cnidaires et la symétrie bilatérale chez les bilatériens. Alternativement, la deuxième suggestion est qu'un ancêtre des cnidaires et des bilatériens avait une symétrie bilatérale avant que les cnidaires n'évoluent et deviennent différents en ayant une symétrie radiale. Les deux explications potentielles sont à l'étude et les preuves continuent d'alimenter le débat.

Asymétrie

Bien que l' asymétrie est généralement associée à être inapte, certaines espèces ont évolué pour être asymétrique comme une importante adaptation . De nombreux membres du phylum Porifera (éponges) n'ont pas de symétrie, bien que certains soient à symétrie radiale.

Groupe/Espèce Caractéristique asymétrique Bénéfice adaptatif
Quelques hiboux Taille et positionnement des oreilles Permet au hibou de déterminer plus précisément l'emplacement de la proie
Poisson plat Les deux yeux du même côté de la tête Reposez-vous et nagez d'un côté (pour se fondre dans le sable de l'océan)
Le cichlidé mangeur d'écailles Perissodus microlepis Asymétrie de la bouche et de la mâchoire Plus efficace pour enlever les écailles de leurs proies
Humains La latéralité et l'asymétrie interne des organes, par exemple le poumon gauche est plus petit que le droit La latéralité est une adaptation reflétant les asymétries du cerveau humain. L'asymétrie interne contribue au positionnement et à la génération d'un système fonctionnel.

Rupture de symétrie

La présence de ces caractéristiques asymétriques nécessite un processus de rupture de symétrie au cours du développement, à la fois chez les plantes et les animaux. La rupture de symétrie se produit à plusieurs niveaux différents afin de générer l'asymétrie anatomique que nous observons. Ces niveaux comprennent l'expression asymétrique des gènes, l'expression des protéines et l'activité des cellules.

Par exemple, l'asymétrie gauche-droite chez les mammifères a été largement étudiée dans les embryons de souris. De telles études ont conduit à soutenir l'hypothèse du flux nodal. Dans une région de l'embryon appelée nœud, se trouvent de petites structures ressemblant à des cheveux ( monocils ) qui tournent toutes ensemble dans une direction particulière. Cela crée un flux unidirectionnel de molécules de signalisation provoquant l'accumulation de ces signaux d'un côté de l'embryon et non de l'autre. Cela se traduit par l'activation de différentes voies de développement de chaque côté, et l'asymétrie subséquente.

Diagramme schématique des voies de signalisation sur les côtés gauche et droit d'un embryon de poulet, conduisant finalement au développement de l'asymétrie

Une grande partie de l'étude de la base génétique de la rupture de symétrie a été effectuée sur des embryons de poulet. Dans les embryons de poulet, le côté gauche exprime des gènes appelés NODAL et LEFTY2 qui activent PITX2 pour signaler le développement des structures du côté gauche. Alors que le côté droit n'exprime pas PITX2 et développe par conséquent des structures du côté droit. Un chemin plus complet est montré dans l'image sur le côté de la page.

Pour plus d'informations sur la rupture de symétrie chez les animaux, veuillez vous référer à la page d' asymétrie gauche-droite .

Les plantes présentent également une asymétrie. Par exemple, la direction de croissance hélicoïdale chez Arabidopsis , la plante modèle la plus couramment étudiée, montre la gaucherie. Fait intéressant, les gènes impliqués dans cette asymétrie sont similaires (étroitement liés) à ceux de l'asymétrie animale - LEFTY1 et LEFTY2 jouent tous deux un rôle. De la même manière que chez les animaux, la rupture de symétrie chez les plantes peut se produire au niveau moléculaire (gènes/protéines), subcellulaire, cellulaire, tissulaire et organique.

Voir également

Structures biologiques

Conditions d'orientation

Les références

Citations

Sources

  • Ball, Philippe (2009). Formes . Presses de l'Université d'Oxford.
  • Stewart, Ian (2007). Quelle forme est un flocon de neige ? Nombres magiques dans la nature . Weidenfeld et Nicolson.
  • Thompson, D'Arcy (1942). Sur la croissance et la forme . La presse de l'Universite de Cambridge.
  • Haeckel, Ernst , E. (1904). Kunstformen der Natur . Disponible sous le nom de Haeckel, E. (1998); Formes d'art dans la nature , Prestel USA. ISBN  3-7913-1990-6 .