L’inéluctable évolution des génomes au sein des populations

Grâce aux travaux de Mendel aux 19eme siècle, on a compris que la transmission des caractères héréditaires se fait par les gènes. Depuis lors, les biologistes  tentent de concilier la théorie de l’évolution avec les lois de la génétique.

Comment la fréquence des allèles évolue-t-elle dans une population ?

Est-ce que les allèles dominants finiront inéluctablement par s’imposer au bout d’un certain temps ?

I/ De l’évolution d’une population à l’évolution d’une espèce : rappels
A/ Diversification d'une population au cours du temps
Amphilophus citrinellus

Ex : deux espèces de poissons du même genre : Amphilophus-citrinellus-et-Amphilophus-zaliosus

Une population est un ensemble d’individus d’une même espèce mais ne possédant pas les mêmes caractères, c’est à dire les mêmes combinaisons d’allèles pour leurs gènes.

Au sein d’une population il existe donc une diversité génétique correspondant à la fréquence de ces caractères et de ces allèles.

Amphilophus zaliosus

Dans les populations, les fréquences des caractères et des allèles évoluent de génération en génération selon 2 mécanismes :

a) La dérive génétique

Des individus porteurs de diverses combinaisons génétiques peuvent différer par leurs potentiels reproducteurs (plus grande attirance sexuelle exercée sur le partenaire ; meilleure résistance à un facteur du milieu, aux prédateurs ; meilleur accès à la nourriture, etc.).

La fréquence des allèles dont la présence est sans conséquence sur la fertilité et la survie des individus varie d’une génération à l’autre sous le seul effet du hasard. C’est la dérive génétique (revoir cette notion déjà abordée en Seconde, avec ce logiciel en ligne ou celui-ci).

Lors d’une migration, le hasard joue aussi un rôle dans la modification des populations : les émigrants emportant un échantillon aléatoire des allèles de la population initiale, la fréquence des allèles dans la nouvelle population ne sera pas la même que dans la population de départ. Cette forme particulière de dérive génétique est qualifiée d’effet de fondation (notion également abordée en Seconde, lors d’une activité où nous comptions des perles en bois).

b) La sélection naturelle

A un instant donné, les individus d’une population ont une survie et une fertilité différentes selon les conditions du milieu (accès aux ressources alimentaires, compétition avec d’autres espèces, etc…). Ceux dont le phénotype est favorisé auront un plus grand nombre de descendants et la fréquence des allèles qu’ils portent augmentera à la génération suivante. C’est le mécanisme de sélection naturelle.

Hasard et sélection naturelle agissent simultanément sur la transformation des populations. Ce sont 2 mécanismes à l’origine de la diversité génétique et phénotypique des populations au cours des générations. On appelle évolution biologique ces modifications des populations.

Schéma bilan expliquant l’évolution d’une population :

schéma bilan modification diversité génétique

B/ De l’évolution des populations à l’évolution des espèces : les mécanismes de spéciation

activité en amont

Au sein d’une même espèce, 2 populations isolées par une barrière géographique ou comportementale ont des échanges génétiques liés à la reproduction sexuée réduits et accumulent des différences génétiques. Au-delà d’un certain seuil, ces différences peuvent empêcher les individus de deux populations de se reproduire entre eux : il y a alors isolement reproducteur.

spéciation especeL’apparition d’une nouvelle espèce à partir d’une (ou deux) autres ancestrales, donc le processus à l’origine d’une nouvelle espèce est appelé spéciation.

L’isolement reproducteur entre 2 populations est associé à un isolement génétique : il n’y a plus d’échanges d’allèles entre elles. Chaque population est alors considérée comme une nouvelle espèce, qui continuera à évoluer séparément, sous l’effet du hasard et de la sélection naturelle.

Sujet présentant les mécanismes qui peuvent aboutir à l’apparition de nouvelles espèces : Un exercice sur les souris de Madère

Schéma bilan :

de la population à l'espèceÀ 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. Toutes les espèces apparaissent donc comme des ensembles hétérogènes de populations, évoluant continuellement dans le temps.

II/ Un modèle théorique pour prévoir l’évolution des fréquences alléliques dans une population 

TP 7 : Comprendre l’équilibre de Hardy Weinberg 

Au début du 20ème siècle, Hardy et Weinberg élaborent les premiers modèles de génétique des populations. Ils étudient la fréquence des allèles dans une population et son évolution au cours du temps.

Ce modèle s’appuie sur une population théorique d’individus diploïdes ayant recours à la reproduction sexuée. Cependant, pour le modèle, plusieurs simplifications s’imposent :

  • l’effectif de la population est infini ;
  • la population est fermée (pas de migration) ;
  • sélection et dérive génétique ne s’appliquent pas sur la population ;
  • les mutations ne sont pas prises en compte.

Si toutes ces hypothèses sont respectées, alors ce modèle théorique prévoit que les fréquences des allèles portés par les individus de cette population sont stables de génération en génération.

III/ Des forces évolutives modifient l’équilibre théorique

TP 8 Étude d’un exemple : la maladie bleue

Dans les conditions réelles cet équilibre théorique n’est jamais atteint, quatre forces évolutives font varier les fréquences alléliques au cours du temps :

  • Les mutations touchant les cellules germinales peuvent introduire de nouveaux allèles dans la population modifiant ainsi leurs fréquences relatives.
  • Les sélections naturelle et sexuelle ; en effet dans un environnement donné certains allèles confèrent un avantage sélectif aux individus qui les possèdent augmentant ainsi leur succès reproducteur. Celui-ci dépend de la probabilité de survie de l’individu jusqu’à l’âge adulte mais aussi de sa fécondité. Chez certaines espèces, l’accès à la reproduction dépend de caractères identifiables par les individus de sexe opposé. Les préférences sexuelles sont également à l’origine d’écarts à l’équilibre de Hardy-Weinberg dans les populations réelles.
  • La dérive génétique où la fréquence des allèles dans une population donnée varie sous l’effet du hasard. Elle est d’autant plus marquée que les populations sont de petite taille. Dans les petites populations, l’effet fondateur peut jouer un rôle prépondérant dans l’évolution, parfois même à l’encontre de la sélection.
  • Les migrations d’individus font entrer de nouveaux allèles au sein d’une population de façon bien plus significative que les mutations. Ces migrations constituent des flux de gènes entre les différentes populations et tendent à homogénéiser leurs fréquences alléliques, donc à limiter leur différenciation.

     


    Notions fondamentales : mutation, sélection, dérive, évolution.

    Dans les populations eucaryotes à reproduction sexuée, le modèle théorique de Hardy-Weinberg prévoit la stabilité des fréquences relatives des allèles dans une population. 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 (effets de la dérive génétique), les migrations et les préférences sexuelles.
    Les populations sont soumises à la sélection naturelle et à la dérive génétique. 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. Toutes les espèces apparaissent donc comme des ensembles hétérogènes de populations, évoluant continuellement dans le temps.

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