Dérive Génétique et sélection naturelle : moteurs de l'évolution - SVT - Terminale S

Dérive Génétique et sélection naturelle : moteurs de l'évolution - SVT - Terminale S

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Notre professeur de sciences de la vie et de la terre a réalisé ce cours en abordant tout d'abord les généralisations de l'évolution, puis la dérive génétique et la sélection naturelle.

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Dérive Génétique et sélection naturelle : moteurs de l'évolution - SVT - Terminale S

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L’évolution : généralité

Il est aisé pour chacun d’entre nous de constater l’étonnante diversité du monde vivant ; depuis le modeste organisme unicellulaire jusqu’au majestueux séquoia géant, en passant par les titanesques espèces disparues que furent les dinosaures non-aviens. Partant de ce constat, il est tout aussi aisé d’observer des liens entre les différentes formes de vie ; des ressemblances anatomiques, morphologiques, physiologiques, comportementales etc., trahissant certains liens de parenté, et une histoire commune. Le concept d’évolution des espèces permet de raconter cette histoire.

 

En 1859, paraissait « de l’Origine des espèce », œuvre de l’anglais Charles Darwin (figure 1), influencée notamment par les travaux des français Lamarck et Buffon, au sein de laquelle était donnée une explication à un principe aujourd’hui quasiment universellement reconnu : les différentes espèces présentent une origine commune et dérivent les unes des autres à partir d’ancêtres communs. A la théorie imaginée par Darwin furent ajoutées les connaissances acquises à la suite de la découverte du gène et du développement de la génétiques des populations, et, sous l’impulsion des travaux de scientifiques tels que Gregor Mendel, J.B.S Haldane, Theodosius Dhobzhanski, Julian Huxley, ou encore Ernst Mayr, les progrès accumulés furent réunis au sein d’un corpus théorique unique désormais connu sous le terme de « théorie synthétique de l’évolution » (ou « néodarwinisme »).

 

Une « population » est un ensemble d’individus d’une même espèce au sein d’un même habitat.  Et c’est par la différenciation de populations d’espèces préexistantes que de nouvelles espèces apparaissent (c’est la spéciation). Plus précisément, c’est lorsque nous constatons un isolement reproductif (une population ne peut plus  se reproduire avec une population d’origine) que nous considérons l’apparition d’une nouvelle espèce ; et cette différenciation est observable au niveau des gènes : les moteurs de l’évolution sont ainsi schématiquement les mécanismes propres à faire varier la fréquence des allèles au sein des populations (un allèle est une version d’un même gène ; pour une même population au sein d’une espèce, 2 individus peuvent présenter certaines  variations d’un même gène, contribuant à la diversité génétique propre au concept de biodiversité. On appelle cela le « polymorphisme génétique »). Tout mécanisme capable de faire varier la fréquence des allèles (c’est-à-dire comprendre dans quelle proportion tel ou tel gène est présent dans telle ou telle population), et ainsi contribuer à la diversité génétique, est une force déterminante de l’évolution ; nous avons coutume de retenir les 4 mécanismes suivants : la dérive génétique, la sélection naturelle, la mutation, et la migration des populations. Cette fiche se concentrera sur les 2 premiers.

 

charles darwin

Figure 1 : Charles Darwin

 

La dérive génétique

La diversité des allèles diffère entre les populations, laissant supposer que des mécanismes concourent à faire varier leur fréquence au cours du temps. Les phénomènes aléatoires (imprévisibles ; liés au hasard) faisant varier cette fréquence allélique correspondent au mécanisme de dérive génétique.

  • Exemples de phénomènes aléatoires : la fécondation est le fruit de la rencontre entre 2 gamètes au sein du mécanisme de reproduction sexuée. Chez les organismes pratiquant cette reproduction, les gamètes (spermatozoïdes et ovules, typiquement) sont représentatifs de la moitié du génome parental. C’est par le mécanisme de la méiose que sont produits les gamètes : ce mécanisme implique une ségrégation aléatoire des chromosomes (voir fiche sur la méiose) au cours de la division d’une cellule mère en 4 cellules filles (les futurs gamètes). Ainsi, les 4 gamètes porteront un bagage chromosomique différent entre eux, et différent de celui de la cellule mère, et le degré de différence sera le fait du hasard. En outre, c’est encore une fois sous l’influence du hasard qu’un gamète (exemple : spermatozoïde) plutôt qu’un autre vient à féconder un autre gamète (l’ovule).

 

Les effets de la dérive génétique sont typiquement visualisables sous 2 aspects : au cours du temps certains gènes tendront à disparaitre de certaines populations (par rapport aux populations d’origine) tandis que d’autres se fixeront. Par le simple fait de la statistique, ces effets sont d’autant plus marqués que la population ciblée par la dérive génétique est petite. Seul un nombre infini de fécondation (ou au sein d’une population tendant vers l’infini) permet statistiquement d’envisager que l’intégralité du patrimoine génétique sera transmis aux générations futures. Inversement, on comprend ainsi qu’au sein de petites populations les effets de la dérive génétique seront alors plus perceptibles.

  • Effet fondateur et dérive génétique : considérons une population d’origine A, laquelle voit un certain segment B de cette population coloniser un nouvel habitat ; par le simple fait du hasard, seule une certaine part du patrimoine génétique (appelé aussi « pool génétique ») total présent chez A sera ainsi présent au sein du nouvel habitat. Au fur et à mesure des générations, le profil de la population B de ce nouvel habitat tendra à différer du profil initial A ; ce profil étant d’autant peu représentatif de la population d’origine A que B présentait une faible proportion de la diversité génétique de A. C’est l’effet fondateur (figure 2), qui caractérise le devenir particulier que prend la diversité génétique d’une population constituée de pionniers issus d’une population d’origine plus grande.

 

Schéma de l'effet fondateur

Figure 2 : schéma de l’effet fondateur

 

  • Illustration de l’effet fondateur : C’est ce phénomène qui semble notamment être à l’origine du peuple Papou. Les papous sont un peuple de l’île de Nouvelle-Guinée (Océanie) dont l’origine serait vraisemblablement à mettre au crédit de la migration de petites populations présentes en Australie, qui auraient rejoint l’actuelle Nouvelle-Guinée à la faveur de l’abaissement du niveau de la mère lors de la dernière grande glaciation, laissant alors apparaitre un passage à sec entre les 2 îles. Le réhaussement du niveau de la mer faisant suite au réchauffement global isola par la suite les populations pionnières des populations d’origine. On appelle « goulot d’étranglement » le fait que suite à un phénomène quelconque (migrations, guerre, famines, prédations …) une certaine part d’une population disparait ou ne se reproduit pas ; le reste de la  population présentera alors une diversité génétique plus faible que la ou les populations dont elle est issue. La dérive génétique est ainsi d’autant plus marquée au sein de populations ayant subit un goulot d’étranglement.  A ce titre, le cas des papous de Nouvelle-Guinée est d’autant plus intéressant au regard de la dérive génétique si nous considérons les composantes de la société papoue : certains clans pratiquent la polygynie (un homme peut épouser plusieurs femmes) ; de par ce fait nous comprenons que certains gènes d’origine paternelle sont « favorisés ». En outre certains hommes n’auront pas de descendance : le mariage étant  largement subordonné au paiement d’une dot que beaucoup d’hommes papous ne peuvent payer. Ce qui contribue d’autant plus à induire la transmission de certains gènes plutôt que d’autres. 

 

  • La dérive génétique est un moteur puissant de l’évolution, façonnant les populations en jouant sur leur diversité génétique, et ayant contribué à façonner la diversité actuelle du monde vivant. Il convient néanmoins de bien comprendre que si la variation des fréquences alléliques (et la perte de diversité génétique qu’elle peut induire) est un phénomène naturel, elle peut toutefois être influencée par des pressions d’origine humaine (fragmentation du paysage, invasions biologiques favorisées par l’Homme, pressions de chasse excessives etc. C’est notamment ce destin qui caractérise les populations d’éléphants du parc naturel national d’Addo en Afrique du Sud : les actuels éléphants du parc sont issus d’une population de seulement 11 individus – 8 mâles et 3 femelles – sanctuarisés au sein d’un parc en 1931, lequel a été créé afin de protéger les derniers représentants d’une chasse intensive au début du XXe siècle. Avant la création du parc, les femelles étaient majoritairement pourvues de défenses, mais leurs descendantes actuelles sont à 98% d’entre elles dépourvues de défenses. Ceci s’explique par le goulot d’étranglement subit par les effectifs : seuls ont survécu aux pressions de chasse les individus les moins intéressants pour les chasseurs, autrement dit ceux possédant les plus petites défenses, voire n’en possédant pas. Leurs descendants en sont les actuels témoins).

 

La sélecrtion naturelle 

La sélection naturelle est un mécanisme modifiant la fréquence des allèles en fonction des caractéristiques du milieu ; en ce sens la sélection naturelle diffère de la dérive génétique car la modification de la fréquence allélique est, non pas aléatoire, mais assujettie à des facteurs déterministes exerçant une pression de sélection. La sélection naturelle tend à favoriser les caractères conférant un avantage à la survie pour les individus qui les portent, et à contrario, tend à défavoriser les caractères désavantageux. Ce mécanisme explique l’adaptation des êtres vivants à leur milieu au fur et à mesure des générations.

  • Un « caractère » est un aspect anatomique, physiologique, moléculaire, comportemental etc, visualisable chez un individu. L’ensemble des caractères observables constitue le phénotype. L’état d’un caractère est sous la dépendance d’un ou plusieurs gènes ; en ce sens, la sélection naturelle, en favorisant certains caractères, favorisent ainsi certains gènes et voient leur fréquence augmenter au sein des populations.
  • Contrairement à la croyance populaire, la sélection naturelle ne sélectionne pas des gènes, mais bel et bien des individus. Ces individus sont considérés dans leur intégralité. Parce qu’ils possèdent des caractères leur conférant un avantage, ces individus auront davantage de chance de survivre et se reproduire, et transmettront alors possiblement les gènes à l’origine des caractères avantageux. Néanmoins il faut bien comprendre que, dès lors, ils transmettront également d’autres caractères, certains neutres au regard de l’adaptation au milieu (c’est-à-dire ne donnant ni avantage ni désavantage), voire certains désavantageux.
  • Un caractère n’est avantageux, neutre, ou désavantageux, que par rapport à son environnement, exerçant une pression de sélection variable. Ainsi, un caractère conférant un avantage à la survie en un milieu donné peut tout à fait se révéler désavantageux sous d’autres conditions, et inversement (c’est notamment l’exemple bien connu de la Phalène du bouleau en Grande-Bretagne lors de la 1e moitié du XXe siècle). On ne peut donc pas définir de « meilleurs caractères», ou de « meilleurs gènes », seul compte l’avantage à la survie en un milieu donné.
  • Le mythe du cou de la girafe : contrairement à la croyance populaire, le cou de la girafe ne s’est pas allongé au cours du temps dans le but d’améliorer l’accès aux branches les plus hautes (les girafes se nourrissent notamment de feuilles d’acacia). Il faut prendre la problématique à l’envers : c’est parce que certains individus étaient nés, par hasard, avec un cou plus long qu’ils ont été favorisés par rapport aux autres, et ont ainsi eu de meilleures chances de survie et de reproduction. Cette illustration met en avant 3 composantes essentielles de la sélection naturelle : le paramètre de diversité indispensable pour définir un rapport avantage/désavantage (la diversité des caractères nait de la diversité des gènes, laquelle nait essentiellement des mutations et de l’apport de nouveaux gènes par les migrations et les échanges entre populations), le paramètre d’adaptation (le caractère « long cou » étant ici « adapté » aux conditions du milieu), et le paramètre d’hérédité (la sélection naturelle ne concerne que les caractères transmissibles à la descendance).

 

Tout comme la dérive génétique, la sélection naturelle est un mécanisme puissant façonnant la diversité du vivant. Il convient enfin de préciser que la diversité du vivant agit en retour sur la sélection naturelle : par le jeu des échanges entre êtres vivants, le mécanisme sélectif des uns agit sur la sélection des autres (ce sont les principes de co-évolution, où notamment la sélection naturelle opérant sur les populations de proies d’un prédateur a un effet sur la sélection naturelle des populations de ce prédateur). Pour comprendre la sélection naturelle il est ainsi toujours indispensable intellectuellement de placer les populations au sein d’un contexte dynamique (c’est-à-dire l’imaginer « en mouvement », où les populations communiquent et échangent au cours du temps). Ce constat est notamment essentiel dans un contexte de gestion de la biodiversité.

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