Chapitre 17: L’inéluctable évolution des génomes au sein des populations

« Dans le temps et dans l’espace, il semble que nous approchions d’un fait grandiose, du mystère des mystères: l’apparition de nouveaux êtres sur la Terre. »

Charles Darwin

Voici ce qu’a écrit dans son journal de bord le grand naturaliste après avoir observé les Pinsons des îles Galápagos (1000km à l’ouest de l’Équateur)

Les Pinsons de Darwin montrent une étrange ressemblance entre elles et avec celles du continent … ce pourrait-il qu’une espèce pionnière originaire du continent ait pu donner toutes celles des Galápagos et si oui, selon quel processus de diversification ?

Notions fondamentales: Mutation, sélection, dérive, évolution.

L’essentiel d’un seul coup d’œil :

  1. Dans les populations eucaryotes à reproduction sexuée, le modèle théorique de Hardy-Weinberg prévoit la stabilité des fréquences relatives des allèles dans une population.
  2. Mais, dans les populations réelles, différents facteurs empêchent d’atteindre cet équilibre théorique. L’existence de mutations, le caractère favorable ou défavorable de celles-ci, la taille limitée d’une population, les migrations et les préférences sexuelles sont autant de facteurs de la micro-évolution des populations. Les populations sont par conséquent soumises à la sélection naturelle, à la sélection sexuelle et à la dérive génétique, considérées comme les trois grands mécanismes d’évolution des populations.
  3. À cause de l’instabilité de l’environnement biotique et abiotique, une différenciation génétique se produit obligatoirement au cours du temps. Cette différenciation peut conduire à limiter les échanges réguliers de gènes entre différentes populations de part et d’autre d’une frontière. Toutes les espèces apparaissent donc comme des ensembles hétérogènes de populations, évoluant continuellement dans le temps. Les organismes sont sélectionnés, les populations évoluent, les espèces apparaissent ou disparaissent.
  4. Ainsi, Charles Darwin a bien découvert que : « Dans le temps et dans l’espace, il semble que nous approchions d’un fait grandiose, du mystère des mystères: l’apparition de nouveaux êtres sur la Terre. »

Plan de la leçon:

  • Populations et espèces, deux concepts importants
  • Un modèle théorique de l’évolution des populations
  • Les facteurs de modifications des populations au cours du temps
  • Le concept d’espèce

Auto-testez-vous:

Quelle est la différence entre une population et une espèce?

1- Populations et espèces, deux concepts importants:

photos tritons

2e_partie_exo_1_nouvelle_caledonie_2013_triton

Pour en savoir plus sur les Tritons et les Salamandres:

A retenir:

  • Distinguer populations et espèces n’est pas chose facile. Les ressemblances entre individus sont parfois si importantes que la tentation est grande d’en faire des individus d’une même espèce.
  • Souvent, les aires de répartitions différentes et la descendance fragile sont de bons critères pour distinguer deux espèces de deux populations.
  • Par conséquent, on définira une population comme un groupement d’individus capables de s’accoupler et d’avoir une descendance viable et fertile.

2- Un modèle théorique de l’évolution des populations:

  • Le modèle mathématique trouvé par Hardy et Weinberg prévoit la stabilité de la fréquence des allèles dans une population sous certaines conditions. Démonstration.

Cliquez sur le lien et faites ce TP:

TP_sur_la_loi_de_Hardy_Weinberg_

Exercice d’application en génétique humaine : la phénylcétonurie

A retenir:

  • Dans les populations eucaryotes à reproduction sexuée, le modèle théorique de Hardy-Weinberg prévoit la stabilité des fréquences relatives des allèles dans une population de génération en génération.
  • Ce modèle nous permet donc de définir les conditions dans lesquelles le modèle ne s’applique pas et ainsi trouver les facteur d’évolution des populations.
Hardy weinberg en BD

Dans les populations naturelles, les conditions de vie ne correspondent pas aux conditions prédites par Hardy et Weinberg: quels sont ces facteurs qui modifient les populations au cours des temps géologiques?

 3- Les facteurs de modifications des populations au cours du temps:

a-Influence de la sélection naturelle sur l’évolution des populations:

b-Influence de la sélection artificielle sur l’évolution des populations:

De 1968 à 2002, la population de moustiques Culex pipiens L. est contrôlée dans le sud de la France par l’épandage d’insecticides organophosphorés, le parathion, sur les étendues d’eau dans lesquelles se développent leurs larves. On s’intéresse à la résistance développée par certains moustiques à ces insecticides dans la région de Montpellier.

À partir de l’étude des documents et de l’utilisation des connaissances, expliquer la résistance de certains moustiques aux insecticides organophosphorés et montrer comment la sélection naturelle pourrait expliquer la proportion de formes résistantes dans les populations de la zone 2 étudiée.

Document 1 : Quantité d’estérases chez les moustiques étudiés dans la région de Montpellier

Les acétylcholine estérases (A et B) sont des enzymes naturellement produites par tous les moustiques qui possèdent donc un gène ACE pour acétylcholine estérase.
Les protéines de différents moustiques ont été séparées par électrophorèse. Les acétylcholine estérases (par la suite on parlera simplement d’estérase) apparaissent sous la forme de taches noires dont la taille est proportionnelle à la quantité d’enzyme produite par le moustique.

Capture d’écran 2020-10-08 à 08

Document 2 : Étude de la mortalité des larves de moustiques dans la région de Montpellier

En 2002, des larves de moustiques ont été échantillonnées dans différentes communes de la région de Montpellier.
La carte ci-dessous repère les sites d’échantillonnage :

  • La zone 1, située au nord, n’a jamais été traitée avec des insecticides organophosphorés.
  • La zone 2, située au sud, a été traitée avec des insecticides organophosphorés depuis 1968. À cette époque, ces insecticides étaient très efficaces dans cette zone et tuaient la majorité des moustiques.
Capture d’écran 2020-10-08 à 08

Des larves prélevées dans les zones 1 et 2 ont été soumises à une dose d’insecticide organophosphoré : cette dose suffisait à tuer presque tous les moustiques en 1968, dans toute la région. Vingt-quatre heures après traitement, on compte les larves survivantes. Les résultats sont présentés dans le tableau ci-dessous.

 CommunesNombre total de
larves prélevées
Larves survivantes
après 24 heures
Zone 1Notre-Dame de Londres19641
Viols-le-Fort: 16774
St Jean de Cuculles: 15481
Zone 2Prades-le-Lez132112
Lattes13795
Maurin227227
Pérols168147

D’après http://www.acces.ens-lyon.fr, consulté en octobre 2017.

Document 3 : Action des estérases sur le parathion

  • Le parathion est, comme tous les insecticides organophosphorés, un ester qui altère le fonctionnement du système nerveux du moustique entraînant sa mort. Pour qu’il soit efficace, il doit pénétrer dans l’organisme de l’insecte et atteindre le système nerveux sous forme d’ester.
  • Les estérases sont des enzymes qui catalysent des réactions d’hydrolyse comme celle présentée ci-dessous :
Capture d’écran 2020-10-08 à 08

Document 4: Évolution de la fréquence des allèles du gène Ace (Acétylcholine estérase)

campbell20201005_0001

c-Influence de la dérive génétique sur l’évolution des populations:

Drosophile Bw

Cliquez sur le lien ci-dessous pour simuler l’expérience de Peter Buri:

T_Spe__SVT_RandomGeneticDriftDirections

photo dérive
modes de sélection naturelle

Les facteurs qui éloignent les population de l’équilibre de Hardy-Weinberg :

La loi de Hardy-Weinberg décrit une population hypothétique qui n’évolue pas. Or, dans les populations réelles, les fréquences alléliques et génotypiques changent avec le temps, et ce, parce que les cinq conditions qui font qu’une population n’évolue pas sont rarement réunies. Ces conditions sont les suivantes :

  • Il n’y a pas de mutation. Les mutations altèrent le patrimoine génétique en modifiant des allèles ou encore en supprimant ou en dupliquant des gènes complets.
  • L’accouplement se fait de manière aléatoire. Si les individus s’accouplent de préférence avec des partenaires d’un même sous-ensemble de la population, comme des proches parents (autofécondation), le mélange des gamètes ne se fait pas au hasard et la fréquence des génotypes varie. (On appelle pangamie la rencontre aléatoire des gamètes et panmixie la rencontre aléatoire des individus.)
  • Il n’y a pas de sélection naturelle. L’inégalité des chances de survie et de succès reproductif des individus porteurs de génotypes différents modifie les fréquences alléliques.
  • La taille de la population est extrêmement grande. Plus la population est petite, plus le rôle du hasard dans les fluctuations des fréquences alléliques d’une génération à l’autre est important – un phénomène appelé dérive génétique.
  • Il n’y a pas de flux génétique. Le flux génétique, c’est-à-dire le déplacement des allèles entre des populations, peut modifier les fréquences alléliques.

A retenir:

Dans les populations réelles, les différents facteurs qui empêchent d’atteindre l’équilibre théorique de Hardy-Weinberg sont :

  1. l’existence de mutations,
  2. le caractère favorable ou défavorable de celles-ci,
  3. la taille limitée d’une population (effets de la dérive génétique),
  4. les migrations
  5. les préférences sexuelles.

4- Le concept d’espèce:

photo nouvelle espèce de dauphin

2e_partie_exo_2_amerique_sud_2017_nouveau_dauphin

formation d'une zone hybride et son devenir

A retenir:

  • À cause de l’instabilité de l’environnement biotique et abiotique, une différenciation génétique se produit obligatoirement au cours du temps, autrement dit, la fréquence des allèles change dans des populations plus ou moins isolées génétiquement.
  • C’est ce que Darwin a découvert: « la descendance avec modification par le biais de la sélection naturelle ».
  • Au cours du temps, cet isolement génétique est tel que les individus de deux populations différentes peuvent ne pas arriver à se reproduire entre eux, on peut alors parler d’espèces et non populations.
  • Toutes les espèces apparaissent donc comme des ensembles hétérogènes de populations, évoluant continuellement dans le temps.

Conclusion:

L’apparition des espèces constitue véritablement le mystère des mystères pour le biologiste. Pourquoi? Parce que savoir comment de nouvelles espèces apparaissent est une chose qui échappe à notre vision du fait de la durée des phénomènes conduisant à la formation de nouvelles espèces. Ainsi, comme la dérive des continents, il faut se baser sur un certains nombre de faits pour conclure avec certitude à l’inéluctable évolution des génomes au sein des populations qui conduit inexorablement à la formation de nouvelles espèces.

Voici un schéma-bilan qui constitue une sorte de synthèse de plusieurs manuels scolaire mais aussi des ouvrages de Pascal Picq, ou de Jean-Claude Gall.

Capture d’écran 2016-02-24 à 22

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photo pouillot verdâtre

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Avis de naissance https://www.youtube.com/embed/qYEp-A7gBR0?autoplay=0&controls=1&widget_referrer=https%3A%2F%2Fwww.canalblog.com%2Fcf%2Fmy%2F%3Fnav%3Dblog.upload.video%26bid%3D1062419%26zone%3Dz1%26searchYT%3Don%26searchDM%3Doff%26sort%3Drelevance&enablejsapi=1&widgetid=1&

photo moule perlière

Entrainez-vous! Essayez de définir:

Espèce ; spéciation ; population ; interfécondité ; fertile ; dérive génétique ; sélection naturelle ; isolement génétique ; barrière géographique ; effet fondateur.

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2e_partie_exo_2_nouvelle_caledonie_2018_syndrome_de_down_et_cancer

Rapport du WWF 2018:

http://www.wwf.fr/rapport-planete-vivante-2018

Extinction annoncée du rhinocéros blanc du nord

http://www.lefigaro.fr/sciences/2014/10/20/01008-20141020ARTFIG00339-extinction-annoncee-du-rhinoceros-blanc-du-nord.php

Exo_2

Objectifs de ce chapitre: Il s’agit avant tout de mobiliser les acquis des élèves sur les mécanismes de l’évolution et de comprendre, en s’appuyant sur des exemples variés, que ces mécanismes concernent toutes les populations vivantes.

Comprendre et identifier les facteurs éloignant de l’équilibre théorique de Hardy-Weinberg, notamment l’appariement non-aléatoire, la sélection, la population finie (dérive). Extraire, organiser et exploiter des informations sur l’évolution de fréquences alléliques dans des populations. Questionner la notion d’espèce en s’appuyant sur les apports modernes du séquençage de l’ADN.

Tableur_loi_de_hardy_Weinberg

Tableau_Correction

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