2. Comprendre les mécanismes évolutifs par la modélisation

Contexte et problématique

La théorie de l’évolution telle qu’elle est décrite par Charles Darwin est une théorie scientifique qui repose sur la sélection naturelle. Celle-ci veut que des individus possédant un caractère héréditaire avantageux pour la survie dans un milieu se reproduisent plus. Les connaissances actuelles permettent de mieux comprendre les mécanismes évolutifs. Les mutations aléatoires et les allèles qui en découlent sont à l’origine de la diversité génétique des individus d’une espèce. D’autres mécanismes évolutifs agissent sur cette diversité des individus : la sélection naturelle et la dérive génétique.

Comment comprendre en les modélisant ces mécanismes évolutifs ?

Questionnement ouvert

En mettant en œuvre les modèles et/ou en utilisant les documents proposés, formuler une définition du mécanisme évolutif modélisé appelé dérive génétique et indiquer le rôle de la taille d’une population dans le maintien d’une diversité des allèles.

Liste des documents

Doc. 1 Qu’est-ce qu’un modèle ?

Doc. 2 Matériel pour modéliser la dérive génétique

Doc. 3 Modélisation analogique de la dérive génétique

Doc. 4 Exemples de résultats (modélisation analogique)

Doc. 5 Modélisation numérique de la dérive génétique

Doc. 6Comparaison de deux résultats (modélisation numérique)

Doc. 7Exemple de résultats pour une population de 100 individus

Doc. 8Effet de l’effectif de la population sur la dérive génétique

Questionnement guidé

1.Relever les informations permettant de comprendre ce qu’est un modèle (doc. 1).

2.Dans les modélisations proposées, relever ce que représente chaque élément du modèle : les boules, les couleurs, le dé à jouer (docs 2, 3 et 5).

3.Analyser les résultats obtenus pour les modélisations réalisées dans les mêmes conditions, c’est-à-dire même effectif de population et mêmes couleurs. Indiquer ce qu’il est possible d’en déduire (docs 4 et 6).

4.Comparer les résultats obtenus pour les modélisations réalisées dans les mêmes conditions, mais avec des populations qui diffèrent par la taille de leur effectif (docs 7 et 8).

5.Formuler une définition de la dérive génétique en précisant le rôle de la taille de la population.

Liste des documents

Doc. 1 Qu’est-ce qu’un modèle ?

Doc. 2 Matériel pour modéliser la dérive génétique

Doc. 3 Modélisation analogique de la dérive génétique

Doc. 4 Exemples de résultats (modélisation analogique)

Doc. 5 Modélisation numérique de la dérive génétique

Doc. 6Comparaison de deux résultats (modélisation numérique)

Doc. 7Exemple de résultats pour une population de 100 individus

Doc. 8Effet de l’effectif de la population sur la dérive génétique

Documents

Doc. 1 Qu’est-ce qu’un modèle ?

Un modèle est une représentation du réel (un objet concret, une représentation imagée, un logiciel) qui se substitue au réel trop complexe, ou inaccessible à l’expérience, et qui permet de mieux comprendre ce réel.

Ainsi, dans le cadre des mécanismes évolutifs, le facteur qui ne permet pas l’expérience du réel est le temps long lié au temps des générations successives. Il est alors possible de représenter le réel par des objets, qui doivent cependant être les plus proches possible des caractéristiques du réel.

Dans un modèle analogique, les caractéristiques du réel sont remplacées par des objets ou des couleurs.

La mise en place du modèle peut se traduire par un programme informatique, qui permet ensuite de mettre en œuvre un modèle numérique.

Doc. 2 Matériel pour modéliser la dérive génétique

Pour modéliser la dérive génétique, on s’intéresse à l’évolution de la fréquence des allèles d’un gène dans une population en fonction du temps, de génération en génération.Pour comprendre la dérive génétique, il faut savoir qu’elle concerne surtout les allèles neutres, c’est-à-dire des allèles qui ne confèrent ni avantage ni désavantage sélectif.

Deux modèles sont possibles, le modèle analogique et le modèle numérique.

Ces modélisations ont une limite : l’individu porte une seule couleur, qui représente un allèle. Chez de nombreux êtres vivants, un même gène est présent en deux exemplaires, des allèles qui peuvent être identiques ou différents. Ainsi, la fréquence de l’allèle correspondra au nombre de fois où la couleur apparaîtra à chaque génération.

Exemple 1 : modélisation sur une population de 18 individus (boules) et 3 allèles ou caractères possibles (blanc, rouge ou noir)

Dans ce cas, la simplification impose que chaque boule qui représente un individu et qui se reproduit donnera une boule de même couleur dans la génération suivante. Le hasard du nombre de descendants peut être représenté par le dé à jouer.

Exemple 2 : modélisation numérique de population avec 16individus et 4allèles ou caractères possibles (rouge, vert, jaune ou bleu)
Dans ce cas, la simplification impose que chaque boule qui sera tirée au hasard pour la génération suivante modélisera la reproduction d’un individu seul.

Doc. 3 Modélisation analogique de la dérive génétique

Matériel à utiliser

Une boîte ou un sac contenant des boules représentant une population, c’est-à-dire un ensemble d’individus de la même espèce, vivant au même endroit au même moment et susceptibles de se reproduire entre eux. Les boules sont de deux ou trois couleurs différentes pour représenter les allèles et les caractères phénotypiques qui en découlent.
Un dé à jouer pour tirer au hasard le nombre de descendants pour chaque boule tirée à chaque génération.

Étapes de la mise en œuvre

1.Constituer au hasard la population de départ. Pour cela, tirer, au hasard et sans regarder, 4 boules.

2.Réaliser une première génération : pour chacune des 4 boules, lancer le dé et apporter à la population autant d’individus que le chiffre du dé. Noter le résultat, soit le nombre de boules de chaque couleur. Placer dans une boîte l’ensemble des boules obtenues par le lancer du dé.

3.Réaliser deux autres générations en utilisant les boules obtenues à la génération précédente.

Doc. 4 Exemples de résultats (modélisation analogique)

Premier résultat

Deuxième résultat

Doc. 5 Modélisation numérique de la dérive génétique

Cliquer sur l’image pour accéder au logiciel.

Le modèle numérique permet de réaliser plusieurs générations par tirage au hasard de boules. La fréquence des allèles obtenus au cours des générations successives s’affiche sous la forme d’un graphique.

Pour étudier uniquement la dérive génétique, il est possible de choisir de ne pas autoriser les mutations et de faire des essais pour des population de 16 individus ou de 100 individus.

Doc. 6 Comparaison de deux résultats d’une modélisation numérique de la dérive génétique (population 16 individus, 10 générations)

Un allèle est dit fixé dans une population lorsque cet allèle est encore présent dans la population alors que d’autres ont disparu.

Comparaison de deux résultats d’une modélisation numérique de la dérive génétique réalisée dans les mêmes conditions

Doc. 8 Comparaison de deux résultats d’une simulation numérique de la dérive génétique pour un effectif de 16 ou de 100 individus

Afin de tester l’effet de l’effectif d’une population sur la dérive génétique, on met en œuvre la modélisation numérique dans laquelle on fait varier la taille de la population (16 individus ou 100 individus). Cela permet d’obtenir une simulation de la variation de la fréquence des allèles pour chacune des deux populations.

Comprendre les mécanismes évolutifs par la modélisation

La mise en œuvre d’un modèle analogique (docs 1, 2 et 3) ou numérique (docs 1, 2 et 5) permet de comprendre que, de génération en génération, la fréquence des allèles varie. La modélisation mise en œuvre dans les mêmes conditions montre que les fréquences alléliques ne varient pas de la même façon (docs 4 et 6). Cela montre que les fréquences alléliques varient au cours des générations de façon aléatoire c’est-à-dire par le jeu du hasard. Quand l’effectif de la population est important, la modification des fréquences alléliques est moins importante que pour une population de faible effectif (docs 7 et 8).

Ainsi, ladérive génétiqueest la modification aléatoire de la fréquence des allèles au sein d’une population au cours des générations successives. Elle concerne surtout les allèles neutres qui ne confèrent aucun avantage sur la survie et la reproduction de l’espèce dans le milieu étudié. La variation de la fréquence des allèles est d’autant plus importante que l’effectif de la population est faible.

2. Comprendre les mécanismes évolutifs par la modélisation

Contexte et problématique

Questionnement ouvert

Questionnement guidé

Documents

Doc. 1 Qu’est-ce qu’un modèle ?

Doc. 2 Matériel pour modéliser la dérive génétique

Doc. 3 Modélisation analogique de la dérive génétique

Doc. 4 Exemples de résultats (modélisation analogique)

Doc. 5 Modélisation numérique de la dérive génétique

Doc. 6 Comparaison de deux résultats d’une modélisation numérique de la dérive génétique (population 16 individus, 10 générations)

Doc. 8 Comparaison de deux résultats d’une simulation numérique de la dérive génétique pour un effectif de 16 ou de 100 individus

Savoir-faire

Faire preuve d’esprit critique vis à vis du modèle

Bilan et exercices

Comprendre les mécanismes évolutifs par la modélisation

Dérive génétique - QCM

Dérive génétique - Texte à trous