Que faut-il savoir sur la biodiversité et son évolution en Terminale ?

Le thème « La biodiversité et son évolution » demande d'estimer la biodiversité (échantillonnage, capture-marquage-recapture, intervalle de confiance), de connaître le modèle de Hardy-Weinberg et d'expliquer comment mutations, sélection naturelle, dérive génétique et migrations modifient les fréquences alléliques. Il aborde aussi l'effet des activités humaines, notamment la fragmentation des habitats, et les mesures de conservation.

Comment estimer la taille d'une population par capture-marquage-recapture ?

On marque n₁ individus, on les relâche, puis on en capture n₂, dont m sont marqués. En supposant que la proportion de marqués est la même dans l'échantillon et dans la population, on obtient N ≈ n₁ × n₂ / m. L'estimation n'est fiable que si la population ne change pas entre les deux captures et si les marques sont durables et sans effet sur les animaux.

À quoi sert le modèle de Hardy-Weinberg ?

Il décrit une population idéale (très grande, unions au hasard, sans mutation, sélection ni migration) dont les fréquences alléliques restent constantes, avec des génotypes en proportions p², 2pq et q². Il sert de référence : un écart net entre fréquences observées et attendues montre qu'au moins une de ces conditions n'est pas remplie.

Quelle est la différence entre dérive génétique et sélection naturelle ?

La sélection naturelle augmente la fréquence des allèles qui favorisent la survie et la reproduction dans un milieu donné : son effet a une direction. La dérive génétique fait varier les fréquences au hasard, surtout dans les petites populations, et peut fixer ou éliminer un allèle quel que soit son effet.

Pourquoi la fragmentation des habitats menace-t-elle la biodiversité ?

Elle découpe une grande population en petites populations isolées, où la dérive génétique et la consanguinité font perdre de la diversité génétique. Ces populations s'adaptent moins bien aux changements du milieu et risquent davantage de disparaître ; les corridors écologiques permettent de rétablir les échanges.

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La biodiversité et son évolution

Estimation de la biodiversité (capture-marquage-recapture, échantillonnage), modèle de Hardy-Weinberg, dérive, sélection, conservation (programme d'enseignement scientifique de Terminale)

À propos de cette page

Ce cours d'enseignement scientifique en terminale sur « La biodiversité et son évolution » suit le programme officiel d'enseignement scientifique de terminale. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : L'essentiel, Estimer la biodiversité : échantillonnage, CMR et intervalle de confiance, Le modèle de Hardy-Weinberg, Les forces évolutives : mutation, sélection, dérive, migration. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de terminale à réussir en enseignement scientifique.

L'essentiel

Biodiversité. Diversité du vivant, observée à trois échelles : la diversité des écosystèmes, la diversité des espèces (diversité spécifique) et la diversité génétique (les différents allèles portés par les individus d'une même espèce).

Population et fréquences alléliques. Une population est un ensemble d'individus d'une même espèce qui vivent au même endroit et se reproduisent entre eux. Pour un gène à deux allèles A et a, on note

p

la fréquence de A et

q

celle de a dans la population, avec

p + q = 1

La biodiversité évolue. D'une génération à l'autre, les fréquences alléliques varient sous l'effet des mutations, de la sélection naturelle, de la dérive génétique et des migrations. Aujourd'hui, les activités humaines modifient fortement et rapidement la biodiversité.

Ordre de grandeur. Environ deux millions d'espèces ont été décrites, alors que les estimations du nombre total d'espèces actuelles sont plusieurs fois supérieures. Et les espèces actuelles ne représentent qu'une infime partie de toutes celles qui ont existé depuis l'apparition de la vie : la biodiversité actuelle est une étape de l'histoire du vivant.

Estimer la biodiversité : échantillonnage, CMR et intervalle de confiance

On ne peut presque jamais compter tous les êtres vivants d'un milieu : on étudie un échantillon, puis on estime la population entière par un calcul statistique.

Échantillonnage par quadrats. On compte les individus dans des surfaces de taille connue placées au hasard, on calcule la densité moyenne, puis on la multiplie par la surface totale. On peut aussi repérer les espèces présentes grâce à l'ADN qu'elles laissent dans l'eau ou le sol (ADN environnemental).

Exemple. 8 quadrats de 0,25 m² contiennent au total 52 pieds d'une plante : 6,5 pieds par quadrat, soit 26 pieds par m². Sur une prairie de 1 500 m², on estime environ

26 \times 1 500 = 39 000

pieds.

Capture-marquage-recapture (CMR). On capture et marque

n_{1}

individus, puis on les relâche. Plus tard, on capture

n_{2}

individus, dont

m

sont marqués. On admet que la proportion d'individus marqués est la même dans l'échantillon et dans la population :

\frac{m}{n_{2}} \approx \frac{n_{1}}{N}

, donc

N \approx \frac{n_{1} \times n_{2}}{m} .

Conditions de validité : population fermée entre les deux captures (ni naissance, ni mort, ni migration notables) ; marques durables, qui ne modifient ni la survie ni le comportement ; individus marqués bien mélangés aux autres ; même probabilité de capture pour tous.

Intervalle de confiance d'une proportion. Si, dans un échantillon aléatoire de taille

n

, un caractère a la fréquence observée

f

, la proportion

p

de ce caractère dans la population est estimée, au niveau de confiance de 95 %, par l'intervalle

[f - \frac{1}{\sqrt{n}}; f + \frac{1}{\sqrt{n}}] .

Conditions usuelles :

n \geq 25

0, 2 \leq f \leq 0, 8

Interprétation : sur un grand nombre d'échantillons, environ 95 % des intervalles ainsi construits contiennent la vraie proportion $p$ . L'amplitude de l'intervalle vaut $\frac{2}{\sqrt{n}}$ : plus l'échantillon est grand, plus l'estimation est précise.

Le modèle de Hardy-Weinberg

Hypothèses du modèle. Population de très grand effectif (considéré comme infini) ; unions au hasard (panmixie) ; ni mutation, ni sélection naturelle, ni migration.

Loi de Hardy-Weinberg. Sous ces hypothèses, les fréquences alléliques

p

q

restent constantes de génération en génération, et les fréquences des génotypes valent :

f (A A) = p^{2}, f (A a) = 2 p q, f (a a) = q^{2}, avec p^{2} + 2 p q + q^{2} = (p + q)^{2} = 1 .

Raisonnement à savoir refaire. Un gamète porte l'allèle A avec la probabilité

p

et l'allèle a avec la probabilité

q

. Les gamètes s'unissent au hasard : on obtient AA avec la probabilité

p \times p = p^{2}

et aa avec la probabilité

q^{2}

. Le génotype Aa s'obtient de deux façons (A apporté par l'ovule et a par le spermatozoïde, ou l'inverse), d'où

2 p q

. À la génération suivante, la fréquence de A vaut

p^{2} + \frac{1}{2} \times 2 p q = p (p + q) = p

: elle n'a pas changé.

Exemple. Si

p = 0, 7

q = 0, 3

f (A A) = 0, 49

f (A a) = 2 \times 0, 7 \times 0, 3 = 0, 42

f (a a) = 0, 09

; la somme vaut bien 1.

À quoi sert le modèle ? C'est un modèle de référence : aucune population réelle ne vérifie parfaitement ses hypothèses. Si les effectifs observés s'écartent nettement des effectifs attendus, au moins une hypothèse n'est pas respectée : on recherche alors une force évolutive ou des unions non aléatoires.

Les forces évolutives : mutation, sélection, dérive, migration

Mutations. Modifications rares et aléatoires de l'ADN : elles créent de nouveaux allèles, source première de la diversité génétique.

Sélection naturelle. Dans un milieu donné, les individus porteurs de certains allèles survivent et se reproduisent davantage : ces allèles sont transmis à plus de descendants et leur fréquence augmente. L'avantage dépend du milieu : un même allèle peut être favorable ici et défavorable ailleurs.

Dérive génétique. Variation aléatoire des fréquences alléliques d'une génération à l'autre, due au hasard de la reproduction : seule une partie des gamètes forme la génération suivante. Son effet est d'autant plus fort que la population est petite. Elle peut conduire à la fixation d'un allèle (fréquence 1) ou à sa perte (fréquence 0), que cet allèle soit avantageux, neutre ou défavorable.

Migrations (flux de gènes). Les échanges d'individus entre populations apportent ou retirent des allèles et rapprochent les fréquences alléliques des populations reliées.

Effet fondateur. Quand quelques individus fondent une nouvelle population (sur une île, par exemple), leurs fréquences alléliques peuvent différer par hasard de celles de la population d'origine : c'est un cas particulier de dérive génétique.

Activités humaines et conservation de la biodiversité

Causes de l'érosion actuelle. Destruction et fragmentation des habitats (urbanisation, routes, agriculture intensive), surexploitation (pêche, chasse, déforestation), pollutions, espèces exotiques envahissantes, changement climatique.

Fragmentation et perte de diversité génétique. Un habitat découpé en îlots isole de petites populations. Sans flux de gènes, la dérive y fait perdre des allèles et les unions entre apparentés (consanguinité) deviennent plus fréquentes : l'hétérozygotie diminue, la population dispose de moins de variants pour s'adapter à un changement du milieu, et son risque d'extinction augmente.

Mesures de conservation. Aires protégées ; corridors écologiques (haies, passages à faune, trame verte et bleue) qui reconnectent les populations ; renforcement de populations par introduction d'individus ; conservation hors du milieu naturel (banques de graines, parcs zoologiques) ; gestion durable des ressources (quotas de pêche).

Exemple. Un passage à faune construit au-dessus d'une autoroute permet de nouveau aux animaux de circuler entre deux massifs forestiers : les flux de gènes reprennent et limitent la perte de diversité génétique de part et d'autre.

« Une seule santé » (One Health). Cette approche relie la santé humaine, la santé animale et la santé des écosystèmes dans lesquels elles coexistent : ces trois composantes ne peuvent pas être dissociées. Par exemple, la déforestation et l'expansion agricole rapprochent humains, animaux domestiques et faune sauvage, ce qui favorise la transmission de maladies d'origine animale (zoonoses).

Méthodes

Méthode 1 — Estimer un effectif par capture-marquage-recapture

Relever $n_{1}$ (individus marqués), $n_{2}$ (individus de la seconde capture) et $m$ (marqués recapturés).
Écrire l'égalité des proportions $\frac{m}{n_{2}} = \frac{n_{1}}{N}$ .
Calculer $N = \frac{n_{1} \times n_{2}}{m}$ et arrondir à l'unité.
Rappeler les conditions de validité et vérifier que $N$ dépasse $n_{1}$ et $n_{2}$ .

Exemple rédigé. On marque 60 carabes, puis on en capture 75, dont 18 marqués.

N \approx \frac{60 \times 75}{18} = \frac{4 500}{18} = 250

. La population compte environ 250 carabes, à condition qu'aucun individu ne soit né, mort, arrivé ou parti de façon notable entre les deux captures.

Méthode 2 — Encadrer une proportion par un intervalle de confiance

Calculer la fréquence observée $f$ = effectif présentant le caractère ÷ $n$ .
Vérifier $n \geq 25$ et $0, 2 \leq f \leq 0, 8$ .
Calculer $\frac{1}{\sqrt{n}}$ , puis les deux bornes.
Conclure par une phrase qui cite le niveau de confiance de 95 %.

Exemple rédigé. Sur 324 poissons pêchés au hasard dans un étang, 108 sont des gardons.

f = \frac{108}{324} = \frac{1}{3} \approx 0, 333

;

n = 324 \geq 25

0, 2 \leq f \leq 0, 8

\frac{1}{\sqrt{324}} = \frac{1}{18}

, d'où l'intervalle

[\frac{5}{18}; \frac{7}{18}] \approx [0, 278; 0, 389]

. Au niveau de confiance de 95 %, la proportion de gardons dans l'étang est comprise entre 27,8 % et 38,9 %.

Méthode 3 — Tester si une population suit le modèle de Hardy-Weinberg

Calculer $p = \frac{2 \times n_{A A} + n_{A a}}{2 N}$ (chaque individu porte deux allèles), puis $q = 1 - p$ .
Calculer les effectifs attendus $p^{2} N$ , $2 p q N$ et $q^{2} N$ .
Comparer effectifs observés et attendus.
Conclure : un écart net signifie qu'au moins une hypothèse n'est pas vérifiée ; proposer laquelle.

Exemple rédigé. Une population de 300 plantes compte 108 AA, 102 Aa et 90 aa.

p = \frac{2 \times 108 + 102}{600} = \frac{318}{600} = 0, 53

q = 0, 47

. Effectifs attendus : AA

0, 2809 \times 300 \approx 84

; Aa

0, 4982 \times 300 \approx 149

; aa

0, 2209 \times 300 \approx 66

. On observe 102 hétérozygotes au lieu d'environ 149 : déficit net d'hétérozygotes, la population ne suit pas le modèle. Hypothèse possible : autofécondation ou unions entre apparentés (panmixie non respectée).

Pièges et erreurs classiques

Inverser la formule de CMR. On multiplie les deux effectifs capturés et on divise par le nombre de marqués recapturés :

N = \frac{n_{1} n_{2}}{m}

, et non

\frac{n_{1} m}{n_{2}}

. Contrôle rapide :

N

doit être supérieur à

n_{1}

et à

n_{2}

Oublier le facteur 2 de $2 p q$ . Le génotype Aa s'obtient de deux façons ; avec

p q

seul, la somme des fréquences génotypiques ne fait pas 1.

Confondre fréquence d'un génotype et fréquence d'un allèle. Si 9 % des individus sont aa dans une population à l'équilibre,

q = \sqrt{0, 09} = 0, 3

et non 0,09 : l'allèle a est aussi porté par les hétérozygotes.

Croire que la dérive « choisit » les meilleurs allèles. La dérive est aléatoire : elle peut éliminer un allèle avantageux. Seule la sélection naturelle a une direction liée au milieu.

Mal lire l'intervalle de confiance. Il ne contient pas « 95 % des individus » et ne donne pas

p

avec certitude : c'est la méthode qui réussit dans environ 95 % des échantillons.

Conformité au modèle ≠ absence d'évolution. Des effectifs conformes aux proportions de Hardy-Weinberg montrent seulement qu'aucun écart n'est détecté pour ce gène, à ce moment : des forces faibles ou qui se compensent peuvent agir.

En bref

La biodiversité se mesure à trois échelles : écosystèmes, espèces, gènes ; on l'estime par échantillonnage (quadrats, ADN environnemental).
CMR : $N \approx \frac{n_{1} \times n_{2}}{m}$ , valable si la population est fermée et les marques neutres et durables.
Intervalle de confiance à 95 % : $[f - \frac{1}{\sqrt{n}}; f + \frac{1}{\sqrt{n}}]$ , pour $n \geq 25$ et $0, 2 \leq f \leq 0, 8$ .
Hardy-Weinberg : fréquences alléliques constantes, génotypes $p^{2}$ , $2 p q$ , $q^{2}$ ; un écart révèle une force évolutive ou des unions non aléatoires.
Mutations (nouveaux allèles), sélection naturelle (orientée par le milieu), dérive (aléatoire, forte dans les petites populations), migrations (homogénéisent).
La fragmentation isole de petites populations qui perdent leur diversité génétique ; aires protégées et corridors écologiques la préservent.

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