Chapitre 3. Inéluctable évolution des génomes au sein des populations

Thème 1 : La Terre, la vie et
l’organisation du vivant
PARTIE 1-A : Génétique et
evolution
Chapitre 3 : L’inéluctable
évolution des génomes
au sein des populations
Plan du cours
I. LE MODELE DE
HARDY-WEINBERG
1. Les conditions de validité
2. Les équations du modèle
3. L’équilibre de Hardy-Weinberg
II. LES ECARTS AUX
CONDITIONS OU A
L’EQULLIBRE ET LES
FORCES EVOLUTIVES
III. LA SPECIATION
Plan du cours
I. LE MODELE DE
HARDY-WEINBERG
1. Les conditions de validité
2. Les équations du modèle
3. L’équilibre de Hardy-Weinberg
II. LES ECARTS AUX
CONDITIONS OU A
L’EQULLIBRE ET LES
FORCES EVOLUTIVES
III. LA SPECIATION
Plan du cours
I. LE MODELE DE
HARDY-WEINBERG
1. Les conditions de validité
II. LES ECARTS AUX
CONDITIONS OU A
L’EQULLIBRE ET LES
FORCES EVOLUTIVES
III. LA SPECIATION
Thème 1 : LA TERRE, LA VIE ET L’ORGANISATION DU VIVANT
PARTIE 1 – GENETIQUE ET EVOLUTION
Chapitre 3 : L’inéluctable évolution des génomes au sein des populations
Introduction :
La compréhension des lois de la génétique permet de comprendre l’origine des
génotypes, leur transmission au cours des générations, et donc le transfert
vertical de gènes. Des mécanismes de transfert horizontaux de gènes, on l’a vu
participent aussi à la diversification du vivant par le biais de l’apparition de
nouveaux allèles.
Problématique: A l’échelle d’une population, comment cette diversification
a lieu, comment évoluent les fréquences des allèles au cours du temps ?
2 scientifiques en 1908
W- Weinberg
Médecin allemand
G-H- Hardy
Mathématicien anglais
•
I. Le modèle de Hardy-Weinberg
•
• TD1 L’équilibre de Hardy Weinberg p.58-59- doc 1
1. Les conditions de validité du modèle
Hardy et Weinberg sont deux scientifiques (mathématicien et médecin) qui ont
cherché à mettre en équation et à modéliser la fréquence des allèles dans
une population et l’évolution de ces fréquences au cours des générations.
Ils basent leur modèle sur 5 CONDITIONS, en considérant les populations
comme stables et fermées, sans impact de l’évolution :
• Aucune migration
• Aucune sélection naturelle : les allèles ont toujours la même probabilité d’être
présentes
• Taux de mutation nul
• Panmixie = pas de sélection sexuelle, la formation des couples se fait au
hasard, les gamètes se rencontrent au hasard (hasard des brassages) et la
probabilité de se reproduire avec tel ou tel phénotype est la même.
• Un effectif infini
+ Aucun croisement entre les générations
Plan du cours
I. LE MODELE DE
HARDY-WEINBERG
2. Les équations du modèle
II. LES ECARTS AUX
CONDITIONS OU A
L’EQULLIBRE ET LES
FORCES EVOLUTIVES
III. LA SPECIATION
•Vidéo HW
• https://www.youtube.com/watch?v=7S4WMwesMts
• https://www.youtube.com/watch?v=wRS-Q_RYyzo
•
1. Les équations du modèle
Le modèle probabiliste purement mathématique qu’ils construisent a pour but
de prévoir la fréquence des allèles et des génotypes dans une
population à partir des fréquences des génotypes parentaux, en l’assimilant
à un tirage aléatoire.
Pour un caractère déterminé par 2 allèles différents seulement, il prévoit
ainsi le rapport suivant entre les allèles :
Dans la population, la somme de la fréquence p de l’allèle récessif et celle
q de de l’allèle dominant vaut 1
On en déduit le rapport entre les génotypes, suite à un tableau de
croisement entre 2 hétérozygotes :
(A1//A2) (A1/)
q
(A1//A2)
(A1/)
(A1//A1)
q
q2
(/A2)
(A1//A2)
p
qp
(/A2)
p
(A1//A2)
qp
(A2//A2)
p2
On en tire donc l’égalité suivante :
• q2+2pq+p2 =1
Représentation graphique des équations de
Hardy-Weinberg
Les résultats du modèle : l’équilibre de HardyWeinberg
• Livre doc 1 p. 76
• Par le calcul, en se basant sur les équations probabilistes, on montre
que la fréquences des allèles est constante au cours de générations !
Plan du cours
I. LE MODELE DE
HARDY-WEINBERG
3. L’équilibre de Hardy-Weinberg
II. LES ECARTS AUX
CONDITIONS OU A
L’EQULLIBRE ET LES
FORCES EVOLUTIVES
III. LA SPECIATION
3. L’équilibre de Hardy-Weinberg
L’équilibre de Hardy-Weinberg est donc purement hypothétique. Il permet de
prédire comment évoluerait une population dans un contexte contraint par les 5
conditions qui n’ont pas lieu dans la nature. Dans ce cas seulement, le modèle
prévoit que les fréquences alléliques et génotypiques seraient stables au
cours des générations.
TP1 – Modélisation Hardy-Weinberg (partie1)
Dans la nature, il va seulement de servir de référence .
Il est donc très utile pour démontrer qu’une population subit ou non des
forces évolutives, et comment.
On cherchera donc, à partir des comptages des génotypes d’une population à
les comparer au modèle.
Exos d’application= comparaison et écart à l’équilibre
Livre p.93 volailles de luxe
TD drepanocytose
https://www.calameo.com/read/003221622a3b83ad94f54?authid=lfUM7RtsUgJ7
TP 1
Agents
Règles
Plan du cours
I. LE MODELE DE
HARDY-WEINBERG
3. L’équilibre de Hardy-Weinberg
II. LES ECARTS AUX
CONDITIONS OU A
L’EQULLIBRE ET LES
FORCES EVOLUTIVES
III. LA SPECIATION
•
II. Les écarts à la structure ou à l’équilibre de Hardy-Weinberg et les
forces évolutives
1.Des écarts liés aux mutations …
TP 1. Eléphants (partie 2)
• Les écarts constatés par rapport aux prévisions du modèle sont en premier lieu
liés à une condition qui n’est jamais respectée dans la nature : l’absence de
mutation. En effet, dans toutes les populations vivantes, le hasard (erreur de
réplication par exemple) va faire apparaitre des mutations de l’ADN. Si ces
dernières affectent des cellules germinales elles sont transmises de générations
en générations. Si l’allèle muté modifie un caractère précis, la mutation
donne prise à la sélection naturelle.
Sélection naturelle
TP2
• Logiciel phalène
• http://philippe.cosentino.free.fr/productions/phalenes/
HASARDVARIATION
/MUTATION
VARIATION
MUTATIONAvantage ?
Désavantage ? Neutralité ?
PRESSION
ENVIRONNEMENTALE
SELECTION  Modification
des fréquences des allèles
2. …et à la sélection naturelle
• Logiciel Phalène +Poux livre doc 1 à 4 p.82-83 (Oral)
Un nouvel allèle créé par mutations peut conférer, dans un environnement donné,
un avantage, un désavantage ou être neutre. La sélection naturelle, liée à
l’environnement va donc entrainer un tri des allèles : les allèles favorables
confèrent une meilleure survie ou/et donc une meilleure reproduction,
leur fréquence a donc tendance à augmenter (en proportion) dans la
population. C’est l’inverse pour les allèles défavorables, dont la fréquence
diminuera. Quant aux neutres, leur fréquence est liée au hasard.
Attention : il n’y a pas d’adaptation au sens stricte : la population ne s’adapte
pas à une contrainte mais évolue sous pression ! C’est l’environnement, en
exerçant une pression de sélection (prédateurs, manque de nourriture,
température…)qui sélectionne les allèles, au fil de plusieurs générations.
• Exemple : Phalène sombre et claires et pression de prédation / Pinsons
de Darwin et taille des becs
De même, un avantage dans un environnement donné peut être un désavantage
dans un autre et inversement ! C’est pourquoi les brusques changements
d’environnement (catastrophe par exemple) sont une grosse pression de
sélection
Un autre exemple connu :
les pinsons de Darwin
•Vidéo sélection naturelle
https://www.youtube.com/watch?v=7VM9YxmULuo
• https://www.youtube.com/watch?v=BeDdBVPnryI (Phalènes)
•Vidéo sélection naturelle
https://www.youtube.com/watch?v=0oB2oBj5Ex4&list=PLmUCF8zaE
6GvTSyH2WtEaf9ijAG0q0dn3
‘’Ce ne sont pas les
plus forts ou les
meilleurs qui sont
sélectionnés, mais
les plus adaptables
aux changement
de leur
environnement ‘’
TP2
Dérive génétique
Dérive génétique
3. Des écarts liés à la dérive génétique
• Logiciel Dérive + Mouches (Oral)
Lorsqu’une mutation donne naissance à un allèle neutre, les fréquences
alléliques évoluent au hasard, de façon aléatoire : c’est la dérive génétique .
A chaque reproduction, parmi les gamètes possibles, seul un échantillon trié au
hasard participera à la fécondation, ce qui modifiera les fréquences des allèles
d’une génération à l’autre. Quand une population a un effectif réduit, la
condition de population à effectif infini du modèle n’est pas respectée ! Elle
entraine une perte de diversité allélique dans les petites populations
isolées du reste de l’espèce (par exemple après une migration sur une île ou
une catastrophe : on parle d’effet fondateur) . Son effet est faible dans les
grandes populations
• Exemple : Eléphants de mer
•Vidéo dérive génétique
• https://www.youtube.com/watch?v=W0TM4LQmoZY
4. Des écarts liés à la sélection sexuelle
Il existe également des formes paradoxales de sélection
naturelle qui résultent d’un compromis entre la survie et la
reproduction : c’est la sélection sexuelle. Dans ce cas,
l’avantage reproductif prime sur l’avantage de la survie car il
accentue la transmission des allèles et la condition de
panmixie n’est plus respectée.
• Exemple : Paon
Sélection sexuelle
Les attributs du paon, après études
éthologiques (études du comportement
animal) ne semblent avoir qu’une
fonction de séduction auprès des
femelles. S’ils constituent certainement
un attrait sexuel, il semble qu’ils
confèrent aussi un handicap pour la
survie des individus dans leur milieu
(repérage par les prédateurs, difficultés
de mobilité, difficultés de nutrition…) La
pression sélective devrait donc les
éliminer ; leur maintien semble montrer
que les avantages l’emportent sur les
désavantages : il s’agit d’un équilibre
entre handicap et atout.
•Vidéo sélection sexuelle
• https://www.lumni.fr/video/charles-darwin-des-males-encompetition
• https://www.youtube.com/watch?v=4Hz9cd2xzUY&list=PLmUCF8zaE
6GvTSyH2WtEaf9ijAG0q0dn3&index=3
Un exercice pour vérifier que tout est compris
• https://edunum.apolearn.com/course/37687/view
Plan du cours
I. LE MODELE DE
HARDY-WEINBERG
3. L’équilibre de Hardy-Weinberg
II. LES ECARTS AUX
CONDITIONS OU A
L’EQULLIBRE ET LES
FORCES EVOLUTIVES
III. LA SPECIATION
La notion d’espèce…
Livre doc 6p.81 + p.84 + 3p.85
•
III. La spéciation : l’évolution des espèces
• livre docs p.80-83 (Oral)
1. La notion d’espèce
• livre doc 6p.81 + doc 1 et 2 p.84
•
Une espèce se définit généralement comme un ensemble d’individus qui se
ressemblent, peuvent se reproduire entre eux (interféconds) et ont une
descendance viable et fertile et isolé reproductivement.
Ainsi, la définition actuelle de l’espèce considère qu’il s’agit d’un groupe d’êtres
vivants qui sont génétiquement très proches (pour se ressembler et être interféconds)
et qui sont suffisamment éloignés génétiquement d’autres groupes, dans l’espace
(niche écologique) et le temps (ancêtre commun suffisamment ancien).
Les techniques de séquençage des génomes ont progressé de façon importante et
permettent de séquencer de très nombreux génomes rapidement pour comparer
différentes populations d’une même espèce ou des espèces afin de retracer leur
histoire évolutive par des arbres phylogénétiques
Une spéciation
Livre doc1-5 p.80-81
• Exemple des souris de Madère
Chaque groupe de souris possèdent maintenant son propre
réarrangement chromosomique ce qui fait qu’elles peuvent être
considérées comme des espèces différenciées. Cette spéciation
s’est produite entre 5 0 0 et 1 0 0 0 ans (en fonction de l’origine
viking ou portugaise qu’on leur attribue) ce qui représente
environ 2 0 0 0 à 4 0 0 0 générations. Ce qui est extrêmement
rapide, l’histoire de l’évolution montre en effet que les
spéciations se produisent d’habitude sur plusieurs centaines de
milliers d’année.
Encore des pinsons et une spéciation
!
Des barrières physique…. Ou pas
Spéciation allopatrique
Spéciation sympatrique
Placer sur le
schéma :
- Individu
- Espèce
-Isolement
reproducteur
- Spéciation
- Extinction
- Croisement
- Colorier
chaque
population
pour les
distinguer
Positionner un
hybride stérile
2. Les mécanismes de spéciation
Livre doc 1 à 5 p.80-81 (oral)
ex : Souris de madère
Au cours du temps, de nombreux facteurs induisent l’évolution génétique des
populations et entrainent la formation de populations qui se distinguent entre elles
par leurs caractéristiques génétiques . Lorsque cette différenciation génétique
s’accroît, elle peut conduire à limiter les échanges réguliers de gènes entre
les populations, voire à les empêcher.
Une espèce apparaît quand une nouvelle population s’individualise et devient
génétiquement différente du reste de la population : c’est la spéciation.
Toutes les espèces sont donc comme des ensembles hétérogènes de populations,
évoluant continuellement dans le temps.
L'apparition d'une nouvelle espèce se fait par isolement génétique d'une population
par rapport à une autre. Chaque population évolue indépendamment de l'autre : les
mutations et autres mécanismes de diversification apparaissent au hasard,
s'accumulent et s'implantent ou non en fonction de la dérive génétique et de la
section naturelle
•Vidéo spéciation
• https://www.reseau-canope.fr/corpus/video/la-speciation-122.html
• Canopé
• https://www.youtube.com/watch?v=udZUaNKXbJA
REVISIONS !