Cours : Variation naturelle et impact humain

Allèles et évolution

Rappel

On appelle « allèles » des versions différentes d’un même gène. Par exemple, il existe trois allèles pour le gène codant les groupes sanguins : l’allèle $\text{A}$, l’allèle $\text{B}$ et l’allèle $\text{O}$.

Lorsqu’un individu transmet son ADN à sa descendance, la molécule d’ADN est copiée, et des erreurs spontanées sont générées lors de cette copie : c’est ce que l’on appelle des mutations.

Définition

Mutation :

Une mutation est un changement dans la séquence ordonnée de nucléotide. Il peut s’agir de l’ajout ou de la suppression d’un nucléotide, ou du remplacement (appelé substitution) d’un nucléotide par un autre : un $\text{A}$ (adénine) remplacé par un $\text{G}$ (guanine) par exemple. Elles sont donc à l’origine de l’apparition de nouveaux allèles.

À retenir

Ces mutations étant imprévisibles, les effets de ces nouveaux allèles le seront aussi.

• En général, les mutations n’ont pas de conséquence (dans $90\,\%$ des cas) : on les qualifie de neutres, car elles ne changent pas le « message » apporté par l’ADN.
• Les mutations désavantageuses sont rares (dans $9\,\%$ des cas) ; elles diminuent les chances de survie de l’individu porteur. En général, ces mutations sont à l’origine des maladies génétiques, telles que la drépanocytose ou la mucoviscidose chez les humains.
• Les mutations avantageuses sont plus rares (moins de $1\,\%$ des cas) : elles confèrent un avantage aux individus porteurs.
• L’évolution des êtres vivants dépend donc des mutations.

La dérive génétique

Effets de la dérive génétique sur les fréquences alléliques

La dérive génétique concerne les allèles neutres. Comme ceux-ci ne confèrent ni avantage ni inconvénient, leur fréquence ne doit pas changer de manière importante d’une génération à une autre.

Le schéma ci-dessus montre une simulation informatique. Deux représentations de la même simulation sont montrées pour aider à la compréhension.

• La représentation de gauche permet de bien visualiser que la somme des fréquences de chaque allèle d’un même gène sera toujours égale à $1$.
• La représentation de droite est généralement privilégiée pour présenter des résultats d’expériences de ce type car elle permet de comparer plus facilement les fréquences des différents allèles.
• D’après le graphique, après quelques générations, les fréquences initiales qui étaient similaires au départ ont totalement changé : l’allèle $\text{A}$ est devenu majoritaire alors que les allèles $\text{B}$ et $\text{C}$ ont fini par disparaître.

À retenir

Donc les variations de la fréquence des allèles neutres sont imprévisibles : c’est ce que l’on appelle la dérive génétique.

Attention

L’allèle $\text{N}$ est le résultat des mutations aléatoires donc son apparition est spontanée et imprévisible.

D’après le schéma, les populations évoluent indépendamment. Au bout de quelques générations, la dérive est telle que les deux groupes finissent par former deux espèces différentes, qui deviennent incapables de se reproduire entre elles : c’est ce que l’on appelle la spéciation.

Importance de la taille du groupe

Exemple

Il arrive que certains individus d’une population soient isolés des autres. Ce phénomène s’est produit au sein d’une population de lions, donnant ainsi naissance à deux groupes : les lions du cratère Ngorongoro et ceux de la plaine du Serengeti.

Il s’agit alors d’observer ces deux groupes afin d’en analyser les évolutions génétiques respectives.
Pour ce faire, une modélisation informatique est effectuée à l’aide d’un logiciel de simulation. Les résultats sont indiqués ci-dessous :

Sur les deux modélisations, les fréquences initiales théoriques sont identiques.

• Sur la modélisation réalisée avec $2000$ individus (effectif proche du groupe formé par les lions du Serengeti), on constate que les allèles neutres $\text{K}$, $\text{L}$, et $\text{M}$ ont des fréquences finales qui varient entre $0,2$ et $0,47$.
• Sur la modélisation réalisée avec $300$ individus (effectif proche du groupe formé par les lions du Ngorongoro), on constate que les allèles neutres $\text{K}$, $\text{L}$, et $\text{M}$ ont des fréquences finales qui varient entre $0$ et $0,8$.

La dérive génétique est d’autant plus importante que le groupe est initialement formé de peu d’individus. Donc, dans le cas de notre exemple, les lions du cratère Ngorongoro évoluent plus rapidement que les lions de la plaine du Serengeti.

À retenir

La taille du groupe a un effet important : plus le nombre d’individus est faible plus la dérive génétique est importante.

La fréquence des allèles neutres varie donc de manière aléatoire. Ainsi, comment expliquer les variations de fréquences pour les allèles avantageux ou désavantageux ?

Sélection naturelle

Effet de la sélection naturelle sur les espèces

Si la dérive génétique est un phénomène aléatoire, la sélection naturelle ne l'est pas. Au sein d'une population, certains allèles donnent un avantage sélectif à l'individu qui les porte. Les individus porteurs de tels allèles vont avoir plus de chances de survivre et de se reproduire. Ainsi, ils vont « favoriser » leurs allèles dans la population future au détriment de l'allèle qui ne présente pas d’avantage.

Le cas de la phalène du bouleau

Un allèle peut donner un avantage sélectif dans un milieu, qui peut être un désavantage dans un autre milieu. L'exemple le plus connu est celui de la phalène du bouleau. Ce petit papillon de couleur blanche tachetée de noir a une robe parfaite pour se confondre à l'écorce des bouleaux sur lesquels il se pose. Cela lui permet de se cacher de ses prédateurs.

Lorsqu'au XIX^e siècle, l'industrialisation en Angleterre prend de l'ampleur, les bouleaux se couvrent de charbon et deviennent noirs. On remarque alors que les populations de phalènes du bouleau deviennent majoritairement noires alors qu'il y avait très peu d'individus de cette couleur avant.

• L'allèle de couleur noire devient un avantage sélectif pour se cacher des prédateurs alors que les troncs des bouleaux changent de couleurs.

Définition

Population :

En biologie, une population est définie par un ensemble d'individus d’une même espèce qui vivent au même endroit. Ce sont donc des individus qui évoluent ensemble et qui peuvent se reproduire.

À retenir

Un changement de conditions environnementales a donné un avantage à certains individus d’une population.

Les mutations font apparaître aléatoirement de nouveaux individus porteurs d’allèles neutres : suite à un changement environnemental, ces allèles neutres peuvent devenir avantageux. La sélection naturelle donne donc un avantage à certains individus d’un groupe.

• La sélection naturelle explique l'adaptation génétique des populations à leur milieu. Cette théorie a été pour la première fois exposée par le célèbre naturaliste Charles Darwin.

Attention

Il est erroné de dire que c’est l’environnement qui est à l’origine de l’apparition du nouvel allèle : au sein d’une population, l’environnement « contre-sélectionne » les individus non adaptés ; en d’autres termes ils meurent, libérant ainsi la niche écologique au bénéfice des autres êtres vivants.