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dérive génétique et sélection naturelle : quelques ressources

mis à jour le 01/06/2010

Quelques ressources originairement destinées aux classes de première ou de terminale peuvent être utilisées dans les nouveaux programmes de SVT de seconde en les adaptant au niveau des élèves et au temps disponible.

mots clés : dérive génétique, sélection naturelle, polymorphisme, allèles, fréquences alléliques

Ce travail est issu de séquences réalisées dans le cadre du thème au choix de l'ancien programme de seconde. Les réactions citées sont celles des élèves ayant réalisé ces travaux au cours des années passées. L'ensemble de la démarche pédagogique a été revue pour correspondre aux attentes des programmes 2010.

Des connaissances préalables

Plusieurs éléments étudiés au collège constituent le socle de connaissances commun à tous les élèves de seconde.
La biodiversité présente et passée est étudiée de la classe de sixième à la classe de troisième.
Les ressemblances constatées en particulier au niveau cellulaire conduisent à l'idée d'une origine commune à tous les êtres vivants (troisième), La sélection naturelle est aussi au programme de troisième.
Les mécanismes de la reproduction conduisent à ce que chaque être vivant hérite d'une partie du patrimoine génétique de chacun de ses parents au cours de la reproduction sexuée (troisième).
Les notions de gène et d'allèle ont été acquises dans cette même classe.

En seconde, tout en rappelant les notions essentielles de l'organisation cellulaire, la partie "La nature du vivant" permet d'aborder la notion de mutation comme modification des caractéristiques génétiques ayant une influence sur le métabolisme. La structure de l'ADN et le lien entre mutation et modification de la séquence nucléotidique permet ensuite d'expliciter la notion d'allèle au niveau moléculaire.
Le constat de l'existence d'une biodiversité actuelle et passée conduit assez rapidement à se poser la question de la descendance avec modification.

Une démarche d'histoire des sciences pour poser le problème

Au cours d'une visite au Muséum d'Histoire Naturelle les bases de la classification Linnéenne (histoire des sciences) sont découvertes en comparant les différentes espèces de trois genres (Panthera, Ardea, Anas par exemple). La notion de ressemblance globale fondatrice de la classification Linnéenne est citée spontanément. La notion d'ancêtre commun, étrangère à la démarche de Linné, apparaît facilement.

Panthera tigris, source wikipedia ©ashlux

Panthera leo, source wikipedia ©yaaay

Panthera pardus, source wikipedia ©mistvan

C'est au niveau des mécanismes qui expliquent les différences entre les espèces d'un genre que les hypothèses émises sont les moins assurées. La majorité des réponses sont du type "Ils n'ont pas habité dans le même milieu" ou "ils se sont adaptés à des milieux différents". Certains d'entre eux émettent l'hypothèse que c'est le message génétique qui est maintenant différent dans les trois espèces. Cette hypothèse est le point de départ des études génétiques menées dans la salle multimédia du lycée.

Utiliser des comparaisons de gènes et d'allèles

Les séquences nucléotidiques des gènes de la cytochrome oxydase b d'un lion, d'un tigre et d'une panthèse sont affichées à partir du fichier CYTB_panthera.edi (fichier à télécharger portant sur les 219 premières bases du gène).

La comparaisons avec Anagene de séquences de gènes homologues appartenant à des espèces différentes conduit à constater que les gènes se ressemblent sans être identiques. Le gène de la cytochrome oxydase b a donc subit des modifications qui ne sont pas les mêmes pour chacun des rameaux de l'arbre phylogénétique.

Si l'on s'intéresse aux séquences des allèles du gène de la cytochrome oxydase b présents chez les tigres actuels, on est conduit à constater que plusieurs allèles de ce gène existent à l'intérieur de l'espèce. Le polymorphisme des gènes est donc une des composantes de la biodiversité.

Fichier CTYB_tigres.edi portant sur les 440 premières bases du gène à télécharger.

Simuler des mécanismes de remplacement alléliques

Le problème est donc posé de la conservation de cette biodiversité d'une génération à la suivante.

Une simulation analogique basée sur une population de 20 individus possédant 4 allèles avec des fréquences de 25 % au départ conduit à constater que les résultats sont différents d'un groupe à l'autre alors que la procédure était la même pour tous. Il est donc établi qu'au sein d'un petit groupe d'individus se reproduisant entre eux, les fréquences alléliques peuvent varier fortement de façon aléatoire.
L'utilisation itérative du petit logiciel qui reproduit l'expérience analogique conduit même à constater que certains allèles peuvent disparaître et que ce ne sont pas les mêmes d'une simulation à l'autre.

Les constats qualitatifs sont alors remplacés par une simulation graphique de l'évolution des fréquences alléliques en fonction du temps. En utilisant l'outil de simulation graphique "allèle neutre" on pourra faire varier l'effectif de la population et le nombre de générations. Il apparaît que plus la population est petite plus la disparition d'un des allèles est probable et rapide.

simulateur

Passant d'une situation où les allèles étaient neutres à celle du phalène du bouleau, les élèves, en essayant diverses combinaisons, montrent que la sélection naturelle favorise rapidement certains allèles en fonction du type d'environnement et des caractères phénotypiques. Cela s'ajoute à la dérive génétique. Il est recommandé pour ces travaux de télécharger les petits outils de simulation sur le réseau de l'établissement afin de ne pas opérer directement sur la page disponible dans l'espace pédagogique de l'Académie de Nantes.

Exploitation ultérieure

L'introduction de néomutations et l'allongement de la durée de le dérive dans le modèle va permettre d'expliquer pourquoi les espèces d'un même genre présentent des différences génétiques. Cette explication se fera uniquement par utilisation du graphique sans recours à la formulation mathématique. Les élèves constatent qu'au cours du temps, des mutations font régulièrement apparaître de nouveaux allèles. Un bon nombre d'entre eux disparaissent rapidement mais certains se généralisent au détriment des allèles anciens. Le patrimoine génétique de l'espèce se modifie donc régulièrement au cours du temps sous l'action de la dérive génétique.

d'après Ridley, "écologie" d'après Kimura 1980 dans pour la science N°27

L'efficacité de la dérive génétique étant liée à la taille de la population, on exploitera des données démographiques et génétiques sur des populations animales menacées d'extinction (ours des Pyrénées, Guépards, etc.). Ces populations qui sont placées dans des situations de crise biologique subissent une réduction drastique de leur diversité génétique. Ces cas actuels peuvent servir de modèle à des disparitions constatées au cours des temps géologiques.

Remerciements

Au Dr. Mathilde Cordellier, Biodiversität und Klima Forschungszentrum, Frankfurt/Main pour son aide concernant la base de données de génétique NCBI.

auteur(s) :

François Cordellier, professeur de SVT au lycée Jean Perrin de Rezé

information(s) pédagogique(s)

niveau : 2nde, Cycle 4

type pédagogique : démarche pédagogique

public visé : enseignant

contexte d'usage : sortie pédagogique, salle multimedia, classe, atelier

référence aux programmes : La biodiversité, résultat et étape de l'évolution

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