Évolution de la biodiversité à l'échelle d'une population - Maxicours

Évolution de la biodiversité à l'échelle d'une population

Objectifs
  • Savoir définir la diversité génétique.
  • Comprendre les phénomènes de dérive génétique et de sélection naturelle au sein des populations.
Points clés
  • Il existe une certaine diversité au sein de chaque espèce, qu’elle soit animale ou végétale. Cette diversité est d’origine génétique.
  • La dérive génétique est l'évolution d'une population ou d'une espèce provoquée par des phénomènes aléatoires qui sont impossibles à prévoir.
  • La sélection naturelle est un mécanisme évolutif qui dépend du succès reproducteur des individus les mieux adaptés selon certaines conditions et différents génotypes.
  • Charles Darwin présente la sélection naturelle comme le moteur de l'évolution des espèces.
Pour bien comprendre
  • Notion d’espèce
  • Phénotype - génotype - gènes - allèles
1. La diversité génétique au sein de l'espèce
a. Observation de la diversité génétique
Une espèce est un ensemble d'individus interféconds portant des caractères communs.

Au sein d’une même espèce, on constate une grande variabilité entre individus liée à l’existence des allèles. Cette diversité génétique peut être dépendante ou non de la zone géographique dans laquelle vit l’espèce.

Exemples : Étude du pin sylvestre.
Chez le pin sylvestre (comme pour de nombreux végétaux), on observe différentes populations que l’on retrouve soit dans le Sud de l’Espagne (Pinus sylvestris nevadensis), soit dans le Nord et le centre de l’Espagne (Pinus sylvestris iberica), soit dans les Pyrénées orientales (Pinus sylvestris catalaunica), etc.

Pinus sylvestris

Ces variétés se distinguent par la forme et la couleur de leurs aiguilles. Ces populations sont le plus souvent interfécondes.
b. Origine de la diversité génétique et fréquences alléliques

Les caractères qui déterminent une espèce sont exprimés à partir des gènes. Chaque espèce est caractérisée par un nombre précis de chromosomes et le positionnement des gènes sur les chromosomes que l’on appelle caryotype.

Chaque individu de l’espèce humaine possède 46 chromosomes, portant toujours les mêmes gènes. Pour chaque gène, il existe un ou plusieurs variants appelés les allèles. Chaque allèle va présenter une fréquence allélique ce qui exprime le taux de présence de l’allèle dans une population qui est donné avec la formule suivante :
Fréquence allélique = nombre d’individus possédant l‘allèle d'intérêt / le nombre d'individus total dans la population

Exemples.
Dans une population constituée de trois individus diploïdes (2 exemplaires du chromosome) avec deux homozygotes (deux fois le même allèle (a/a)) et un hétérozygote (deux allèles différents (a/b)), les fréquences alléliques sont les suivantes :
  • fréquence de a : 5/6 = 0,83
  • fréquence de b : 1/6 = 0,17
Les groupes sanguins. Pour le gène codant pour le groupe sanguin, il existe trois allèles A, B et O. Chaque individu possédant 2 exemplaires de chaque gène on peut trouver dans la population les combinaisons d’allèles suivantes :

Combinaisons d’allèles possibles pour le groupe sanguin dans l’espèce humaine

L’étude de la fréquence des allèles ABO dans le monde montre que leur distribution géographique n'est pas homogène. L’allèle B est très fréquent dans les populations humaines européennes et asiatiques et est plus rare dans les populations humaines américaines (moins de 5 %).
À l’inverse, l’allèle O est le plus fréquent sur les continents américains (plus de 50 %) et beaucoup plus rare en Eurasie. Ainsi, au sein des populations d’Amérique du Sud, la transmission de l’allèle O à la descendance sera plus fréquente que celle de l’allèle B. À l’inverse, au sein des populations d’Europe de l’Est, c’est l’allèle B qui sera le plus fréquemment transmis à la descendance.
2. Dérive génétique et diversité génétique
La dérive génétique est un mécanisme aléatoire, au sein d'une population par lequel on observe une modification de la fréquence des allèles.
Une population est un ensemble d’individus appartenant à la même espèce et occupant une même zone géographique. Dans une même population, tous les individus ne possèdent pas les mêmes allèles.

Comment vont évoluer les fréquences alléliques de générations en générations ?

Tous les individus d’une population ne se reproduisent pas ou du moins ne donnent pas le même nombre de descendants et ce de façon aléatoire. Plus les individus porteurs d’un allèle ont la possibilité de se reproduire, plus on retrouvera cet allèle dans la génération suivante. Il aura été transmis au cours de la reproduction.
Ainsi, au fil des générations, les fréquences alléliques peuvent être modifiées. Elles augmentent si les individus qui les portent se reproduisent facilement et diminuent si les individus porteurs se reproduisent peu ou pas, migrent ou meurent. Cette variation des allèles est totalement aléatoire car elle dépend de facteurs non prévisibles comme une catastrophe naturelle, une modification brutale du milieu, etc. Ce phénomène sera d’autant plus marqué que l’effectif de la population sera faible et conduit à une perte de diversité génétique de la population.

Exemple.

Fréquences alléliques et dérive génétique
Dans la population 1, on observe les fréquences alléliques suivantes :
  • F(allèle 1) = 41 / 45 = 0,91.
  • F(allèle 2 ) = 4 / 45 = 0,09.
Dans la population 2, les fréquences sont différentes :
  • F(allèle 1) = 14 / 29 = 0,48.
  • F(allèle 2) = 15 / 29 = 0,52.

On comprend donc qu’au sein d’une même espèce, le processus de dérive génétique n’aboutira pas à la même fréquence allélique dans deux populations géographiquement isolées. Les paramètres des 2 populations : milieu de vie, prédation ou taille de la population étant différents.

Exemple. Cas des éléphants du parc national Addo (Afrique du Sud).
Aujourd’hui, on compte au sein de la population d'éléphants du parc national Addo, 90 % de femelles sans défenses alors qu’elles étaient seulement 15 % en 1900 et 50 % en 1931. Cette espèce a été la cible d’une chasse intensive au début du XXe siècle qui a fortement réduit son effectif. On ne comptait plus que 11 représentants en 1920 (8 femelles et 3 mâles). Le parc Addo fût créé en 1931 pour protéger ces individus en voie de disparition qui donnèrent naissance aux individus actuels. Le parc compte actuellement 450 éléphants.

Dérive génétique chez les éléphants du parc Addo
Dans ce cas, la dérive génétique a conduit à l’appauvrissement du patrimoine génétique de l’espèce par la perte du gène codant pour les défenses de l’éléphant.
3. Le processus de sélection naturelle

Le concept de sélection naturelle a été proposé par Charles Darwin dans son ouvrage : L’origine des espèces, publié en 1859. Il avait constaté qu'une sélection artificielle était effectuée par les éleveurs pour modifier les caractéristiques d’une espèce. Ils sélectionnaient les individus les mieux adaptés à leurs besoins pour la reproduction et pour une meilleure production.
Darwin se demanda si cette sélection artificielle existait à l’état naturel ?
Au cours d’un voyage autour du monde, Darwin constate qu’au sein des écosystèmes les espèces coexistent en équilibre sans qu’aucune ne prennent le dessus sur les autres. Il en déduit qu’il existe des facteurs limitant leur développement. De plus, il constate que des modifications physico-chimiques du milieu peuvent influencer la reproduction des espèces.

Exemples. Les pinsons des îles des Galápagos.
Darwin observe la présence sur les îles de deux types de pinsons : des pinsons à gros bec capables de briser les fruits les plus durs dont ceux d’un arbuste résistant à la sécheresse et le pinson à bec moyen qui a du mal à se nourrir avec ce type de fruits. Les populations de pinsons varient d’une île à l’autre dans l’archipel. Il constate aussi que la végétation est différente d’une île à l’autre. Il existe en fait un lien entre la taille du bec des pinsons et le type de ressources alimentaires disponibles sur l’île.

Différentes formes de becs chez deux espèces de pinsons

Ainsi, les conditions du milieu de vie agissent comme un moteur de la sélection naturelle. Dans des conditions données, ce sont les individus qui présentent un avantage sélectif qui vont dominer au sein de la population. Ils seront plus aptes à se reproduire. Si les conditions du milieu changent, un autre groupe d’individus avantagés peut dominer. L’avantage sélectif est conféré par des caractères issus de l’expression des allèles.

La sélection naturelle est un mécanisme évolutif non aléatoire, à l'inverse de la dérive génétique.

Plus une population possède une forte diversité génétique plus elle est capable de faire face à des modifications du milieu et donc de s’adapter et de survivre.

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