Innovations génétiques et évolution des espèces
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Innovations génétiques et évolution des espèces I- Evolution par sélection naturelle 1) Variations au sein d'une population Comment des mutations peuvent-elles être favorables ou défavorables à la survie d'une espèce ? Activités 1 : Doc A p148, p149 Identifier les facteurs du milieu qui modifient la répartition des différents phénotypes de la phalène. La variété sombre (carbonaria) est prédominante dans les populations des régions les plus polluées du nord et de l'Angleterre. Dans ces régions les troncs sont plus sombres, car dépourvues de lichens et les phalènes sombres passent plus facilement inaperçues. Au contraire dans les régions non polluées (sud ouest par exemple), c'est la variété claire typica qui reste prédominante. Les troncs sont clairs et les phalènes y passent inaperçues. Il y a donc une relation entre la variété de phalène et la possibilité de camouflage. Dans un environnement non pollué les phalènes claires sont avantagés et inversement. Remarque : la couleur dans les régions polluées est due au lichen. Proposer une hypothèse qui explique comment l'action des facteurs sélectionne les innovations génétiques les plus favorables. Hypothèse : Le phénomène d'homochromie permet aux phalènes de se camoufler et leur procure un avantage sélectif. Pour tester l'hypothèse, étude du doc B p149. On évalue la survie des phalènes initialement présentes grâce à la technique de capture recapture (elles sont marquées ventralement) Dans la région de Birmingham, on recapture une proportion de phalènes carbonaria supérieure à celle de la première capture : cela signifie que les phalènes typica survivent moins longtemps. Elles sont probablement plus facilement capturées par les prédateurs car elles sont plus facilement repérées. A l'inverse les phalènes carbonaria mieux camouflées sont proportionnellement plus nombreuses et donc elles ont une plus grande probabilité de se reproduire car elles vivent plus longtemps et elles auront plus de descendants. La contre preuve c'est l'inverse dans le Dorset, ces expériences sont réalisées dans de nombreuses séries pour avoir une valeur statistique fiable. L'hypothèse est bien validée. Remarque : l'apparition d'un nouveau phénotype dans une population est un phénomène très rare. On peut l'expliquer par une mutation modifiant l'expression d'un gène et créant un nouvel allèle ou par une modification de la fréquence d'un allèle rare qui existait déjà dans la population. On peut supposer que ce type de mutation apparaît de manière récurrente et que ce n'est pas l'environnement qui provoquerait l'apparition de tels mutations mais qui favoriserait sa conservation et qui augmenterait la fréquence de l'allèle rare. De plus, les mutations doivent obligatoirement avoir lieu dans les cellules germinales. Comment expliquer ces variations dans les fréquences de l'allèle ? 2) Evolution de la fréquence d'un allèle dans une population Doc 3 p149 C'est un modèle mathématique de l'évolution de la fréquence d'un allèle dans une population. On va définir ce que l'on entend par valeur sélective c'est à dire l'avantage ou le désavantage d'un phénotype dans un contexte environnemental donné. Si on donne à un phénotype une valeur sélective supérieure à un autre, celui ci survit mieux donc plus grande probabilité d'avoir plus de descendance. Les allèles sont plus fréquents, leur fréquence augmente dans la population. Pour cet exemple on observe en dix génération un passage de 10 à 60%, elle augmente ensuite de plus en plus progressivement pour tendre vers 100%. Les homozygotes pour cet allèle et les hétérozygotes ont une valeur sélective plus grande que les homozygotes qui n'ont pas cet allèle. Ils survivent mieux donc plus de descendance donc fréquence augmente. Ici en 40 générations, on passe de 20% à 90%. Ce phénomène est-il réversible ? *Doc 4 p 149 Dans les années 1950 la Grande Bretagne applique une législation anti pollution pour réduire les émissions de SO2 dans l'air, les lichens se redéveloppent et rendent les troncs à nouveau blancs. La variété typica redevient majoritaire. Attention : ce phénomène n'est possible que si l'allèle est conservé. Conclusion : La notion d'avantage sélectif est toujours relative à un contexte environnemental car la sélection naturelle s'exerce sur une diversité de phénotypes génétiquement déterminé. Elle est fondée sur l'aptitude des individus d'un phénotype donné à laisser plus de descendants. La sélection naturelle fait évoluer la population de façon orientée et rapide et réversible. II- Evolution par mutations neutres 1) Des innovations sélectives échappant à la sélection naturelle Problème : Existe-t-il des mutations qui ne confèrent pas d'avantage sélectif ? *Doc p152-153 En comparant les fonctions de ces polypeptides, justifiez le qualificatif de neutre. Ces polypeptides réalisent la même fonction, les mutations n’ont pas modifié cette dernière. Elles sont sans effet sur le phénotype elles sont neutres. Les polypeptides ayant pratiquement le même nombre d’acides aminés, le nombre de changement est assimilé à une fréquence. On constate que les différents types de mutations se sont accumulés à la même vitesse sur chaque polypeptide chez deux espèces vivant dans un environnement différent. Leur propagation n’est donc pas liée Or on admet le taux de mutation par nucléotide constant au cours du temps. Doc 4 p 153 et doc polycopier ( exo sur la vitesse d’évolution) Confronter cette hypothèse aux vitesses d’évolution du doc 4 et proposer une hypothèse explicative ? - Si le taux de mutation est constant au cours du temps et si les différentes mutations sont conservées de la même manière au cours du temps, alors la vitesse d’évolution des protéines devrait être identique. Des différences de vitesse entre ces protéines impliquent que le nombre de mutations perdues au cours du temps varie d’une protéine à l’autre. - Hypothèse : ces mutations ont probablement été éliminées par la sélection naturelle car elles étaient défavorables à la survie des individus chez qui elles étaient apparues. L’effet des mutations diffère bien d’une protéine à l’autre Sur des protéines dont la structure et donc la séquence en acides aminés est importante pour la réalisation de la fonction, la majorité des mutations est défavorable et donc éliminée par la sélection naturelle : la vitesse d’évolution est alors lente Par contre sur des protéines qui peuvent réaliser leur fonction avec une structure susceptible de varier, ou qui ne jouent pas un rôle essentiel dans le fonctionnement cellulaire, la majorité des mutations ne modifie pas le phénotype. Elles sont donc neutres et ne sont pas conservées et elles peuvent se répandre dans la population : la vitesse sera donc élevée. L’analyse de populations montre que les fréquences des allèles neutres évoluent dans les populations au cours du temps. Contrairement à la sélection naturelle, le résultat de cette évolution n’est pas prévisible : c’est la dérive génétique.. Au bout d’un grand nombre de générations, l’allèle neutre tend soit à disparaitre soit à envahir complètement de la population on parle de fixation. Dans les petites populations , l’amplitude des fréquences par rapport à la fréquence moyenne apparaît en revanche beaucoup plus importante que dans les grandes populations Conclusion : Des allèles peuvent se répandre dans les populations indépendamment de la sélection naturelle s’ils impliquent des mutations neutres, c'est-à-dire sans effets sur le phénotype. Leur propagation est aléatoire. 2) Les horloges biologiques PB : les mutations peuvent –elles accompagner et tracer l’évolution ? Doc 3 p 153 + doc poly Les familles de gènes, multi géniques sont constituées de gènes homologues issus de duplication successivement d’un gène ancestral, c’est le cas des gènes codant pour les différentes chaînes de l’hémoglobine. Les différentes copies de ce gène ont ensuite évolué séparément par accumulation de mutations. Les différents gènes ont été conservés au cours de l’évolution bien que n’apportant aucun avantage sélectif aux porteurs. Ils codent pour des protéines qui conservent, malgré quelques différences dans leur séquence, une fonction identique et le phénotype des organismes n’est pas modifié. Les scientifiques se servent de ces molécules comme des horloges biologiques permettant de dater, avec une certaine imprécision cependant, les époques de divergence de différentes lignées. III) Evolution et gènes du développement PB : Comment les innovations génétiques peuvent- elles être responsable de l’apparition de nouveaux plans d’organisation au cours des temps géologiques ? 1) l’exemple de l’hétérochronie étude doc poly et Doc p 154 Le crâne de l’homme ressemble à celui d’un jeune chimpanzé : le début du développement est similaire chez ces deux espèces. Chez l’homme le développement est ralenti, stoppé, il reste inachevé. L’homme même à l’âge adulte conserve une morphologie crânienne de type juvénile alors que chez le chimpanzé le développement est plus rapide et se poursuit. C’est un exemple d’hétérochronie : principales caractéristiques : - le trou occipital ne migre pas vers l’arrière donc le maintien de la bipédie est interprété comme une conséquence de cette « non migration » Ce type d’hétérochronie est aussi appelé « décélération » - les caractères crâniens juvéniles : crâne arrondi, face plane, absence de cros - la prolongation de la phase embryonnaire, ceci multiplie le nombre de neurones, la gestation du chimpanzé est de 238 jours, pour l’homme de 266jours la phase embryonnaire est 4 fois plus longue chez l’homme x des neurones et donc augmentation des capacités cérébrales, cette hétérochronie est appelé « hypermorphose » - prolongation de la phase de croissance Pb : comment sont contrôlé la vitesse et la durée des phases du développement 2) Des mutations sur des gènes du développement Doc 2 p155 Chez la souris dont le gène Hoxd 13 est muté, certains os manquent et d’autres présentent un retard d’ossification donc on peut en conclure que, le gène Hoxd 13 détermine le moment et la durée du développement de l’extrémité des membres, contrôlant ainsi le nombre de phalanges constituant les doigts. Ainsi la mutation d’un gène du développement se traduit par une modification du plan d’organisation des doigts. Conclusion : certaines mutations affectent les gènes du développement et en particulier les gènes homéotiques. De telles mutations peuvent avoir des conséquences phénotypiques considérables, car entrainant des modifications du plan d’organisation. Ces modifications pourraient avoir résulté d’un changement de la durée ou de la vitesse du développement de l’individu. Le phénomène est appelé hétérochronie, il peut contrôler l’acquisition de caractères fondamentaux de l’espèce. Seules les innovations génétiques qui affectent les cellules germinales et sont ainsi transmissibles à la descendance et peuvent se répandre dans les populations sexuées. La propagation sera sous l’effet de la sélection naturelle et concerne les innovations favorables, elle explique les changements évolutifs. La propagation des innovations génétique indépendantes de la sélection naturelle concerne les mutations neutres. Ces mutations n’ont en général pas de conséquences évolutives. Mais elles aident à reconstituer des phylogénies, Elles accompagnent et tracent l’évolution L’apparition aléatoire d’innovations génétiques et leur propagation à la fois aléatoire et sous l’effet de la sélection naturelle, permettent de proposer un mécanisme à l’apparition de nouvelles formes de vie au cours de l’histoire de la Terre et donc de l’évolution de la vie ; Elles expliquent également la parenté constatée entre tous êtres vivants sur Terre.
