Évolution : les forces évolutives d’une population

Fréquences alléliques et évolution d’une population ; mutations, dérive génétique, sélection naturelle et migrations ; isolement et naissance des espèces ; une théorie scientifique construite dans le temps.

À propos de cette page

Cinq problèmes à partir de documents : les bactéries de Lenski et le citrate, les moustiques résistants du littoral languedocien, des drosophiles élevées avec ou sans alcool, l’expérience de Luria et Delbrück, des salamandres isolées par des autoroutes.

5 problèmes, du plus simple au plus difficile. Écris tes réponses, puis « Vérifier ».

Résoudre un problème : la méthode

Je lis chaque document : quelle population, quel effectif, quel allèle, quelles conditions, quel témoin.
Je calcule fréquences, écarts et pourcentages, en vérifiant les totaux et en comparant des fréquences plutôt que des nombres bruts.
Je compare les populations placées dans les mêmes conditions : même sens d’évolution = sélection ; sens imprévisible, fort dans les petites populations = dérive.
Je cherche les autres forces : un allèle nouveau (mutation), des individus qui arrivent et se reproduisent (migration), un isolement qui fait diverger.
Je conclus avec le vocabulaire du cours (fréquence allélique, pression de sélection, hasard, effectif, flux de gènes), sans formule finaliste (« pour s’adapter »).

Problème 1 · Des bactéries qui apprennent à manger du citrate ?★★★Facile

Document 1 — Une expérience au long cours. Depuis 1988, l’équipe de Richard Lenski cultive douze populations de la bactérie Escherichia coli, issues d’une même souche, dans le même milieu. Chaque jour, une petite partie de chaque culture est transférée dans un milieu neuf, où elle est multipliée par 100 avant le transfert suivant, ce qui représente environ 6,6 générations par jour. Le milieu contient du citrate, une substance que cette bactérie ne sait pas utiliser comme nourriture en présence de dioxygène.

Document 2 — Un résultat. Vers 31 500 générations, des bactéries capables de se nourrir de citrate apparaissent dans une seule des douze populations ; quelques milliers de générations plus tard, elles y sont majoritaires. L’étude de leur ADN montre qu’une mutation, une duplication d’un morceau de chromosome, est à l’origine de ce caractère.

1. Nombre de populations dans lesquelles ce caractère n’est pas apparu :
12 − 1 = 11 populations, pourtant placées dans le même milieu.
2. À 6,6 générations par jour, 31 500 générations représentent environ années (arrondi à l’unité, 1 an = 365 jours).
31 500 ÷ 6,6 ≈ 4 773 jours ; 4 773 ÷ 365 ≈ 13,1, soit environ 13 ans.
3. Les douze populations vivaient dans le même milieu, mais une seule a acquis le caractère : cette mutation est un événement rare et .
Si le citrate provoquait la mutation, elle serait apparue dans les douze populations. Elle est aléatoire : apparue au hasard, dans une seule lignée, après des dizaines de milliers de générations.
4. Une fois apparues, les bactéries mangeuses de citrate deviennent majoritaires parce qu’elles disposent d’une nourriture de plus : c’est la naturelle.
Elles se multiplient davantage : la sélection naturelle augmente la fréquence de l’allèle favorable.
5. Le titre « des bactéries qui apprennent » est faux : ce sont des bactéries qui ont été triées.
Aucune bactérie n’a appris : des bactéries mutantes, apparues au hasard, ont été favorisées par le milieu.

Problème 2 · Les moustiques résistants du littoral languedocien★★★Moyen

Document 1 — Un traitement. Près de Montpellier, une bande littorale d’environ 20 km de large est traitée depuis les années 1960 contre le moustique Culex pipiens par des insecticides organophosphorés ; l’intérieur des terres ne l’est pas. Un allèle R d’un gène rend les moustiques résistants à ces insecticides.

Document 2 — Une mesure (valeurs simplifiées). Fréquence de l’allèle R selon la distance à la côte :

Document 3 — Un coût. En l’absence d’insecticide, les moustiques porteurs de R survivent moins bien à l’hiver que les autres. Les moustiques adultes se déplacent de quelques kilomètres au cours de leur vie.

1. La fréquence de R sur la côte est environ fois celle mesurée à 35 km (arrondi à l’unité).
0,63 ÷ 0,07 = 9.
2. Entre 8 et 23 km, autour de la limite de la zone traitée, la fréquence de R baisse de
0,51 − 0,18 = 0,33 : la baisse la plus forte se situe autour de la limite du traitement.
3. Dans la zone traitée, l’insecticide tue surtout les sensibles : il agit comme une de sélection.
Les porteurs de R survivent et laissent plus de descendants : l’insecticide est une pression de sélection, d’origine humaine.
4. Hors de la zone traitée, R reste rare car, d’après le document 3, il y est .
Sans insecticide, R n’apporte rien et réduit la survie en hiver : il est défavorable, la sélection joue contre lui.
5. Sa fréquence n’est pourtant pas nulle à 35 km, car des moustiques de la côte y apportent R : c’est la .
Les déplacements des moustiques apportent l’allèle : flux de gènes, ou migration, qui s’oppose ici à la sélection locale.

Problème 3 · Sélection ou dérive ? Des drosophiles et de l’alcool★★★Moyen

Document 1 — Le gène Adh. Chez la drosophile, ce gène code une enzyme qui dégrade l’éthanol, toxique pour la mouche. Il a deux allèles, F et S ; l’enzyme codée par F dégrade l’éthanol plus efficacement.

Document 2 — Neuf cages (résultats simplifiés). Au départ, f(F) = 0,38 dans toutes les cages, dont l’effectif est maintenu constant. Fréquence de F après 30 générations :

Cages	Effectif	Nourriture	f(F) après 30 générations
A1, A2, A3	2 000	avec éthanol	0,73 ; 0,77 ; 0,75
B1, B2, B3	2 000	sans éthanol	0,39 ; 0,36 ; 0,42
C1, C2, C3	25	sans éthanol	0,00 ; 0,62 ; 0,22

1. Dans la cage A1, la fréquence de F a augmenté de
0,73 − 0,38 = 0,35 (de 0,35 à 0,39 selon la cage A).
2. Dans les cages B, la fréquence de F s’est écartée de 0,38 de au plus.
0,42 − 0,38 = 0,04 ; 0,38 − 0,36 = 0,02 ; 0,39 − 0,38 = 0,01 : 0,04 au plus.
3. Les cages A et B ont le même effectif et ne diffèrent que par l’éthanol : la hausse de F dans les trois cages A relève de la naturelle.
Même sens, même ampleur dans les trois cages A, environ dix fois plus que les écarts des cages B : l’évolution est orientée par l’éthanol, c’est la sélection naturelle.
4. Les cages C, sans éthanol, donnent des résultats très dispersés parce que leur effectif est .
Avec 25 mouches, la faible taille de la population rend la dérive génétique forte.
5. On ajoute de l’éthanol dans la cage C1. F ne peut y réapparaître que par une nouvelle ou l’introduction de mouches porteuses de F.
f(F) = 0 : F a été perdu par dérive. La sélection trie des allèles présents et ne peut pas favoriser un allèle absent ; il faut une mutation ou une migration.

Problème 4 · Luria et Delbrück : des mutations au hasard★★★Difficile

Document 1 — Le problème (1943). Quand on met des bactéries Escherichia coli au contact d’un virus qui les tue (le phage T1), quelques-unes survivent : elles sont résistantes, et leurs descendantes aussi. Deux hypothèses s’affrontent : H1, le virus provoque la résistance chez une petite part des bactéries qu’il touche ; H2, la résistance vient de mutations apparues au hasard pendant la multiplication des bactéries, avant tout contact avec le virus.

Document 2 — L’expérience. Salvador Luria et Max Delbrück répartissent une suspension de bactéries en 20 petites cultures séparées, qu’ils laissent se multiplier jusqu’au même effectif. Chaque culture est ensuite étalée sur une boîte couverte de virus ; on compte les colonies de bactéries résistantes. Dans 11 boîtes : aucune colonie. Dans les 9 autres : 1, 1, 3, 5, 5, 6, 35, 64 et 107 colonies. En témoin, des prélèvements faits dans une même grande culture donnent des nombres voisins les uns des autres.

1. Nombre total de colonies résistantes dans les 20 cultures :
1 + 1 + 3 + 5 + 5 + 6 + 35 + 64 + 107 = 227.
2. Nombre moyen de colonies par culture :
227 ÷ 20 = 11,35 ; or 11 cultures n’en ont aucune et une en a 107 : la moyenne cache une très forte dispersion.
3. Sous H1, chaque bactérie a la même petite chance de devenir résistante au contact du virus : d’une culture à l’autre, les nombres de colonies devraient être .
Sous H1, chaque bactérie a la même petite chance de devenir résistante au contact du virus : les nombres varieraient peu, comme dans le témoin.
4. Selon H2, une culture donne beaucoup de colonies quand la mutation y est apparue pendant la multiplication.
Une mutation apparue tôt a eu le temps de se transmettre à de nombreuses descendantes (107 colonies) ; tard, elle ne laisse qu’une ou deux résistantes ; souvent, aucune n’apparaît.
5. Les résultats sont très dispersés : l’hypothèse retenue est
La dispersion confirme la prédiction de H2 : les mutations préexistent au contact du virus, qui ne fait que trier.

Problème 5 · Des routes, des salamandres et leur diversité génétique★★★Difficile

Document 1 — Des populations isolées. Dans une région, des autoroutes construites il y a plusieurs dizaines de générations ont isolé des populations de salamandres tachetées. On mesure dans chaque population le taux d’hétérozygotie : la part moyenne, parmi plusieurs gènes étudiés, des gènes pour lesquels un individu porte deux allèles différents. Plus il est élevé, plus la population est génétiquement diverse.

Document 2 — Les mesures (données fictives).

Population	Situation	Effectif estimé	Taux d’hétérozygotie
P1	massif forestier continu	3 800	0,33
P2	fragment isolé	450	0,25
P3	fragment isolé	160	0,19
P4	fragment isolé	38	0,12

1. Baisse relative du taux d’hétérozygotie de P4 par rapport à P1 : % (arrondi à l’unité)
(0,33 − 0,12) ÷ 0,33 = 0,21 ÷ 0,33 ≈ 0,636, soit environ 64 %.
2. Plus l’effectif d’un fragment est faible, plus son taux d’hétérozygotie est .
De 0,25 (450 individus) à 0,12 (38 individus) : plus faible.
3. La force évolutive qui fait perdre des allèles, d’autant plus vite que la population est petite, est la génétique.
Sans migrants, le tirage au hasard des gamètes fixe ou élimine des allèles : la dérive génétique.
4. Un passage à faune relie P3 à P1 : grâce au flux de gènes, le taux d’hétérozygotie de P3 devrait .
Des salamandres de P1 apportent des allèles perdus par P3 et augmentent l’effectif reproducteur : la diversité de P3 devrait augmenter.
5. Avec peu de variants, P4 a moins de chances de compter des individus porteurs d’allèles avantageux si le milieu change : son risque d’ augmente.
Moins de diversité, moins de prise pour la sélection face à une maladie ou une sécheresse : le risque d’extinction augmente. Isolée des milliers de générations, P4 pourrait aussi diverger, mais avec 38 individus, l’extinction est l’issue la plus probable.

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