Dérive génétique, sélection naturelle
Dérive génétique et sélection naturelle
Dans une population, la fréquence des allèles change au fil des générations : par le hasard (dérive génétique) ou parce que le milieu favorise certains individus (sélection naturelle).
Objectifs
- Calculer la fréquence d'un allèle dans une population.
- Expliquer la dérive génétique et comprendre pourquoi elle est plus forte dans une petite population.
- Expliquer la sélection naturelle à partir de la variation entre individus et de leur reproduction.
- Distinguer ces deux forces évolutives à partir d'exemples, dont des exemples d'Afrique de l'Ouest.
1. La population et la fréquence d'un allèle
Une population est un ensemble d'individus de la même espèce qui vivent au même endroit et peuvent se reproduire entre eux. Un même gène peut exister sous plusieurs versions : les allèles. Ces allèles apparaissent par mutation, au hasard, lors de la copie de l'ADN.
Chez une espèce comme la nôtre, chaque individu possède deux exemplaires de chaque gène (un venant de chaque parent). Dans une population de \(N\) individus, il y a donc \(2N\) exemplaires du gène.
La fréquence d'un allèle est la proportion de cet allèle parmi tous les exemplaires du gène :
\[ f(\text{allèle}) = \frac{\text{nombre d'exemplaires de cet allèle}}{\text{nombre total d'exemplaires du gène}} \]Elle est comprise entre \(0\) (allèle absent) et \(1\) (allèle présent chez tous : on dit qu'il est fixé).
Exemple résolu
Une population de \(200\) criquets possède un gène de couleur avec deux allèles : \(V\) (vert) et \(b\) (brun). On compte \(100\) exemplaires de l'allèle \(b\). Quelle est la fréquence de chaque allèle ?
Une population de 50 individus compte 20 exemplaires de l'allèle a. Quelle est la fréquence de a ?
2. La dérive génétique : le hasard
À chaque génération, seuls certains individus se reproduisent, et chaque parent ne transmet qu'un de ses deux allèles, au hasard. Les allèles de la génération suivante sont donc un tirage au hasard parmi ceux des parents.
La dérive génétique est la variation aléatoire des fréquences des allèles d'une génération à l'autre. Elle ne dépend pas de l'avantage ou du désavantage de l'allèle.
- Dans une grande population, les écarts dus au hasard se compensent : les fréquences changent peu.
- Dans une petite population, le hasard pèse lourd : un allèle peut disparaître ou au contraire être fixé en quelques générations.
Le goulot d'étranglement, vu étape par étape
Une petite population de 8 individus : la moitié porte la couleur bleue, l'autre moitié la couleur orange.
Une inondation tue la plupart des individus. Les survivants ne sont pas les meilleurs : ce sont ceux qui se trouvaient au bon endroit, par hasard.
Les 3 survivants sont tous bleus : l'allèle orange a disparu sans être désavantageux. C'est un effet de goulot d'étranglement, une forme brutale de dérive.
Le même phénomène se produit quand quelques individus fondent une nouvelle population, par exemple sur une île : c'est l'effet fondateur. La nouvelle population n'a que les allèles de ses quelques fondateurs.
Exemple à chercher
Dans une population de 5 individus, l'allèle \(r\) est présent en 2 exemplaires. La génération suivante compte aussi 5 individus et l'allèle \(r\) n'y est présent qu'en 1 exemplaire. Les individus porteurs de \(r\) ne sont ni plus forts ni plus faibles. Calcule les deux fréquences et nomme le phénomène.
Voir la solution
Il y a \(2 \times 5 = 10\) exemplaires du gène à chaque génération.
\[ f_1(r) = \frac{2}{10} = 0{,}2 \qquad f_2(r) = \frac{1}{10} = 0{,}1 \]La fréquence a été divisée par deux alors que l'allèle ne donne aucun avantage ni désavantage : c'est la dérive génétique, très visible ici car la population est minuscule.
Dans quelle population la dérive génétique modifie-t-elle le plus vite les fréquences des allèles ?
3. La sélection naturelle : le tri par le milieu
La sélection naturelle repose sur trois constats :
- Variation : les individus d'une population sont différents, en partie à cause de leurs allèles.
- Hérédité : ces allèles se transmettent aux descendants.
- Tri par le milieu : dans un milieu donné, certains caractères permettent de survivre plus longtemps ou d'avoir plus de descendants.
Les allèles qui donnent un avantage dans ce milieu deviennent donc plus fréquents de génération en génération. Contrairement à la dérive, la sélection a une direction, fixée par le milieu.
flowchart LR A[Mutations au hasard] --> B[Individus différents] B --> C[Le milieu trie] C --> D[Plus de descendants pour les avantagés] D --> E[Allèle avantageux plus fréquent]
Manipule : la vitesse de la sélection
La courbe montre la fréquence d'un allèle avantageux au fil des générations (en abscisse). Le curseur \(p\) est sa fréquence de départ ; le curseur \(s\) mesure la force de l'avantage. Observe : avec \(s = 0\), rien ne change ; plus \(s\) est grand, plus l'allèle envahit vite la population.
Ce modèle simplifié suppose une très grande population, sans dérive : il ne montre que l'effet de la sélection.
Exemple à chercher : la drépanocytose et le paludisme
La drépanocytose est une maladie génétique grave due à un allèle, noté \(S\), du gène de l'hémoglobine. Les personnes qui portent deux allèles \(S\) sont malades. Pourtant, cet allèle est relativement fréquent dans les régions où le paludisme est très présent, comme une grande partie de l'Afrique de l'Ouest. Les personnes qui portent un seul allèle \(S\) (et un allèle normal) sont en général en bonne santé et mieux protégées contre les formes graves du paludisme. Explique pourquoi l'allèle se maintient.
Voir la solution
Dans une région où le paludisme est fréquent, les porteurs d'un seul allèle \(S\) survivent mieux au paludisme grave et ont donc, en moyenne, plus de descendants. Ils transmettent l'allèle \(S\) à une partie de leurs enfants. Cet avantage compense en partie la perte d'allèles \(S\) chez les personnes malades : la sélection naturelle maintient l'allèle à une fréquence élevée dans ce milieu. Là où le paludisme est absent, cet avantage disparaît.
Un champ est traité chaque année avec le même herbicide. Après dix ans, la plupart des mauvaises herbes y résistent. Quelle explication est correcte ?
4. Comparer les deux forces évolutives
| Dérive génétique | Sélection naturelle | |
|---|---|---|
| Cause | Hasard de la reproduction | Avantage dans un milieu donné |
| Direction | Aucune, imprévisible | Vers l'allèle avantageux |
| Population concernée | Surtout les petites | Toutes les tailles |
| Image | Tirage de haricots dans un sachet | Tamis qui retient certains grains |
Les deux forces agissent en même temps dans les populations réelles, sur des allèles créés par les mutations. Elles expliquent que la biodiversité change sans cesse : c'est l'évolution.
Sur une petite île, 6 oiseaux arrivés par une tempête fondent une population. Leurs descendants ont presque tous un bec jaune, rare sur le continent, sans que ce bec soit utile. Quelle force explique surtout ce résultat ?
Récapitulatif
- Les allèles naissent par mutation, au hasard ; leur fréquence est \(f = \dfrac{\text{nombre d'exemplaires}}{2N}\) dans une population de \(N\) individus.
- La dérive génétique fait varier les fréquences au hasard ; elle est forte dans les petites populations (goulot d'étranglement, effet fondateur).
- La sélection naturelle rend plus fréquents les allèles qui donnent un avantage dans un milieu donné (résistance aux insecticides, drépanocytose et paludisme).
- Ces deux forces modifient la biodiversité au fil des générations.
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