Objectif : les mécanismes de l`évolution

TP 12 : De la diversification des êtres vivants à l’évolution de la biodiversité
Les processus de diversification du monde vivant permettent de créer de nombreux organismes différents. Cependant, la sélection naturelle et
le jeu du hasard vont filtrer cette biodiversité, ce qui la fait évoluer.
Problème : Comment la diversité des populations évolue-t-elle au cours du temps ?
Capacités et attitudes
Extraire et organiser
des informations
Utiliser un logiciel de
modélisation
Extraire et organiser
des informations
Réaliser une synthèse
Activités expérimentales
1 - La pression du milieu :
La phalène du bouleau + Modélisation à l'aide du logiciel « Evolution
allélique ».
2- La concurrence entre individus :
Les pinsons des Galapagos + Modélisation à l'aide du logiciel « bGenPop ».
3 - La dérive génétique :
Les lions du Ngorongoro + Modélisation à l'aide du logiciel « Dérive
génétique »
4- Les mécanismes à l’origine de la spéciation :
Vous disposez d’un un scénario possible à l’origine de la présence de ces
différentes espèces (vidéo « salamandre.avi). et sites ci-dessous
https://docs.google.com/file/d/0B9Y2yTnW6rC4UUZ5YlJXRU9EbDg/edi
t?pli=1
https://docs.google.com/file/d/0B9Y2yTnW6rC4SThKalY0Z1RHN1U/edit
?pli=1
Compétences
Analyser une situation concrète,
à partir d'arguments variés
Analyser des exemples
d’évolution de la biodiversité
dans des contextes
et selon des mécanismes variés à
partir de documents.
Rédaction d’un compte-rendu sur feuille double faisant apparaître les
mécanismes qui permettent, à partir d’une population initiale, de la faire
évoluer et à de nouvelles espèces d’émerger.
1
1. Les Phalènes du bouleau et la pression de prédation
La phalène du bouleau (Biston betularia) est un papillon nocturne. De jour, il se camoufle sur la partie haute de différents feuillus, sous les feuilles et les
branches. Il existe deux phénotypes de Phalènes qui ne différent que par un caractère : leur couleur. La forme 'typica' est de couleur blanche et la forme
'carbonaria' est de couleur noire :
En Angleterre, dés 1890, on avait déjà remarqué que les formes noires de ce papillon avaient une fréquence de 98 % dans les régions industrielles, où
la pollution par le charbon a pour effet de détruire les lichens et de noircir les troncs, tandis qu'en zone rurale non polluée les formes blanches typiques
demeuraient à une fréquence de 100 %. En 1950, de nombreux marquages et recaptures de formes claires et foncées de phalènes du bouleau, relâchées
soit dans des bois sombres, soit dans des bois clairs ont été effectués. Les statistiques faites sur les recaptures montrèrent une très nette survie en faveur
des formes foncées dans les bois pollués, et une nette survie des formes claires dans les bois non pollués.
Le gène gouvernant la couleur du corps possède deux allèles : Allèle 'carbonaria' ou 'C', dominant (forme noire), Allèle 'typica' ou 'c', récessif (forme claire)
1) Emettre une hypothèse, à l’aide du doc1 page 64 du manuel, pour expliquer la différence de survie selon que le milieu est pollué ou non pollué.
2) Utiliser le logiciel évolution allélique pour simuler le devenir des allèles C et c dans deux régions différentes, polluée et non polluée, lorsqu’on
relâche une population de phalènes homozygotes composée pour moitié de forme blanche, pour moitié de forme sombre.
3) Noter les résultats des 2 simulations après 100 générations, puis conclure sur les effets de la pression du milieu sur les fréquences alléliques.
Modélisation avec le logiciel évolution allélique, fenêtre sélection naturelle :
 Déterminer la fréquence initiale de l’allèle 1, lors du lâcher des phalènes homozygotes.
 Affecter une valeur élevée aux génotypes favorables (1) et une valeur plus faible (0.8) aux génotypes défavorables.
 Réaliser successivement les 2 simulations :
- situation 1 : environnement non pollué
- situation 2 : environnement pollué
2
2. Les pinsons des Galapagos et la concurrence entre individus
Depuis une quarantaine d’années, les populations de pinsons des îles Galapagos (genre Geospiza) font l’objet d’un suivi régulier, notamment sur la petite île
de Daphné major. Dans les années 1970, cette île était principalement occupée par une population de pinsons à becs moyens, de l’espèce Geospiza fortis.
Graines de Tribulus cistoides
G. fortis à petit bec
G. fortis à gros bec
Trois phénotypes sont principalement représentés dans cette espèce : des G. fortis à becs plus petits, majoritaires, se nourrissant essentiellement de
graines de plantes herbacées, G. fortis à becs moyens et des G. fortis à becs plus gros et plus puissants, minoritaires, capables de se nourrir des graines
dures d’un arbuste dominant sur l’île (Tribulus cistoides). En 1977 une forte sécheresse a empêché la production de petites graines. Les pinsons à gros
becs ont mieux survécu, en se nourrissant des graines plus dures. Cette sècheresse a inversé les proportions de petits becs et de gros becs au sein de la
population. En 1983, de fortes précipitations ont favorisé la production de petites graines tendres. Les pinsons à petits becs sont alors redevenus
majoritaires. En 2004, une nouvelle sécheresse a frappé l’île. Mais cette fois-ci, contrairement à 1977, les G. fortis à gros becs ont été contre-sélectionnés.
En effet, entre temps, une nouvelle espèce s’était installée sur l’île : G. magnirostris, au bec encore plus gros et plus puissant, qui accapare les ressources
en graines dures.
Considérons les deux allèles codominants du gène gouvernant la taille du bec : G pour un gros bec, et P pour
Geospiza magnirostris
un petit bec. Dans une population en équilibre, le nombre d'hétérozygotes est égal au double de chaque
homozygote, soit : AA + 2 Aa + aa
- Ecrire les génotypes possibles et les phénotypes correspondants.
- Ouvrir le logiciel bGenPop et entrer dans les cases le nom des 2 allèles et leur codominance.
- Réaliser une série de 10 simulations de reproduction sur 20 générations, où les 3 génotypes ont le même
avantage (=1) puis afficher la moyenne en cliquant sur « M » et « ensemble des simulations ».
- Préciser comment évoluent les fréquences phénotypiques, génotypiques et alléliques quand les 3 génotypes
ont le même avantage.
- Modéliser l'impact de la sécheresse de 1977 sur une population initiale en équilibre. Pour cela, modifier la
valeur de l’avantage de chaque génotype : 0.8 pour un génotype désavantagé, 1.1 pour un génotype avantagé, 1
pour un génotype neutre. Réaliser une série de 10 simulations, puis afficher la moyenne.
Appeler pour vérification.
- Noter et expliquer l'évolution des fréquences phénotypiques, génotypiques et alléliques.
- Modéliser l'impact des pluies de 1983 sur la population modifiée par la sécheresse de 1977 : pour cela,
introduire les nouvelles valeurs d’effectifs et d’avantage pour chaque génotype et lancer la simulation.
- Noter et expliquer l'évolution des fréquences phénotypiques, génotypiques et alléliques des pinsons.
3
- Choisir dans la liste suivante les affirmations exactes et en adéquation avec vos constatations précédentes de façon à construire un raisonnement explicatif
en les ordonnant. Vous rédigerez alors un texte en utilisant ces différentes propositions :
a) Les pinsons dont la hauteur du bec est plus petite sont capables de manger des graines dures.
b) Les pinsons dont la hauteur du bec est plus grande sont capables de manger des graines dures.
c) Les pinsons avec un bec plus gros sont avantagés quand les conditions environnementales (sécheresse) favorisent des graines dures.
d) Quelles que soient les conditions du milieu, les populations ne sont pas modifiées au fil du temps.
e) Dans des conditions environnementales défavorables, le milieu exerce une pression sur les populations d’êtres vivants.
f) Dans des conditions environnementales défavorables, les effets de la pression du milieu sont renforcés par une compétition entre les individus.
g) Les pinsons qui se nourrissent le mieux atteindront probablement mieux la maturité sexuelle et pourront donc se reproduire.
h) La taille du bec n’a aucune incidence sur les chances de reproduction des pinsons.
i) Les variations de taille du bec des pinsons s’expliquent dans le cadre de la sélection naturelle par une pression de prédation.
j) Les variations de taille du bec des pinsons s’expliquent dans le cadre de la sélection naturelle par une reproduction différentielle.
k) Les animaux favorisés auront un plus grand nombre de descendants et la fréquence des allèles évoluera au hasard à la génération suivante.
l) Les animaux favorisés auront un plus grand nombre de descendants et la fréquence des allèles qu’ils portent augmentera à la génération suivante.
m) C’est la sélection naturelle par concurrence entre individus
n) C’est la sélection naturelle par pression de prédation
3. Les lions du Ngorongoro et la dérive génétique
confèrent ni avantage, ni désavantage, ils sont neutres).
Les lions du Ngorongoro (Tanzanie) forment
une petite population d’une centaine d’individus
issus de la grande population voisine du
Serengeti dont ils vivent désormais isolés. En
1962, une grave infection fit chuter brutalement
l’effectif de cette population. Seule une dizaine
d’individus survécut. En 1975, la population
retrouva enfin son effectif initial. En 1990, les
scientifiques mesurèrent les fréquences des
allèles de 4 gènes chez les lions du Serengeti et
chez ceux du Ngorongoro (ces allèles ne
Effectif
Gène 1
Gène 2
Gène 3
Gène 4
Lions du
Serengeti
> 2000
a = 79%
b = 19%
c = 2%
w = 74%
z = 26%
q= 99%
s = 1%
p = 99%
r = 1%
Lions du
Ngorongoro
100
a = 85%
b = 15%
w = 94%
q= 100%
z = 6%
p=
100%
Questions:
 Pour les 4 gènes, comparez le nombre et la
fréquence des allèles dans les 2 populations de lions.
 Proposez une hypothèse sur le(s) facteur(s)
responsable(s) de cet appauvrissement de la
diversité génétique parmi les lions du Ngorongoro.
A l’aide du logiciel Dérive, modéliser l’évolution de la
fréquence des 3 allèles du gène 1 : 3 couleurs différentes
On effectue des tirages au hasard des allèles comme lors de
la reproduction sexuée puis on replace les boules dans l’urne
avant de refaire un tirage (remise) :
 Effectif : d’abord 16, puis 100
 Cliquer sur Lancer le modèle, sur Tirer
une boule, puis sur Tout tirer
 Cliquer sur génération suivante puis Tout
tirer et recommencer jusqu’à disparition
d’un allèle. Noter la couleur de l’allèle
disparu et le nombre de générations
écoulées jusqu’à sa disparition.
 Réinitialiser puis refaire 2 autres
simulations avec les mêmes paramètres.
 Réinitialiser puis refaire 3 autres
simulations avec un effectif de 100
individus.
 Construire un tableau qui présente les
résultats de vos 6 simulations.
 Expliquer ce qui « contrôle » la
disparition d’un allèle et l’évolution des
fréquences alléliques.
 Indiquer si l’hypothèse est validée
(justifier).
4