évolution

Unité 4 – L’évolution

L’évolution est le changement relatif des caractères d’une population d’une génération à une autre.  Puisque tous les êtres vivants vivent dans des environnements qui sont constamment en train de changer, ils doivent aussi changer pour être plus aptes dans leurs environnements.  L’évolution touche non pas les individus isolés, mais les populations.  Elle est la variation de fréquence d’un allèle dans le fonds génétique d’une population. C’est un fait ! Ce qui est moins certain, c’est le mécanisme exact sur lequel repose cette évolution. Plusieurs théories tentent d’expliquer ce phénomène.  Par exemple Charles Darwin a proposé la théorie de la sélection naturelle.  Mais même aujourd’hui, les biologistes continuent de débattre des mécanismes de l’évolution.

Certains pensent que l’évolution n’est qu’une théorie, et que par conséquent elle n’est pas aussi crédible qu’une loi.  Les théories sont des explications de phénomènes observés et s’appuient sur une somme importante de preuves et d’expériences.  Les théories ne sont jamais prouvées pour devenir des lois, elles continuent d’améliorer avec l’accumulation de données appuyant ou bien elles sont rejetées lorsqu’une meilleure explication (ou théorie) est proposée.  Les lois sont des sont des généralisations ou des profils appliqués à la nature, souvent exprimées sous forme de formule mathématiques. (Ex : loi de Boyle, loi de Newton…)

Différence entre une loi et une théorie

 Théorie: Les théories sont des explications de phénomènes observés et s’appuient sur une somme importante de preuves et d’expériences.  Les théories ne sont jamais prouvées pour devenir des lois, elles continuent d’améliorer avec l’accumulation de données appuyant ou bien elles sont rejetées lorsqu’une meilleure explication (ou théorie) est proposée.

 Loi:  Les lois sont des sont des généralisations ou des profils appliqués à la nature, souvent exprimées sous forme de formule mathématiques. (Ex : loi de Boyle, loi de Newton…)

L’histoire de l’écologie et l’évolution

James Hutton (1726-1797) et Charles Lyell (1797-1875) étudient les forces du vent, de l’eau, des tremblements de terre et des volcans.  Ils conclurent que la Terre est très vielle et qu’elle s’est transformée.

Erasmus Darwin (1731-1802) émet l’hypothèse selon laquelle la compétition entre les individus pourrait mener à des transformations dans les espèces.  (Le grand père de Charles Darwin)

Jean Baptiste Lamarck (1744-1829) propose un mécanisme par lequel les organismes changent au fil du temps.  Il soumet l’hypothèse voulant que les organismes vivants évoluent en héritant des caractéristiques acquises.

Thomas Malthus (1766-1834) observe que les populations humaines ne peuvent pas augmenter à l’infini.  Si le taux de naissances continuait de dépasser le taux de décès, les humains finiraient par manquer d’espace et de nourriture et mourraient.  La famine, la maladie et la guerre ont empêché une croissance démographique sans fin.

Charles Darwin (1809-1882) formule la théorie de l’évolution par la sélection naturelle d’après ses observations faites durant un voyage sur le Beagle, et sur la reproduction sélective d’animaux de ferme, de plantes et d’animaux familiers.  Dans les années 1840, Darwin rédige des manuscrits décrivant sa théorie, mais il hésite à les publier.  Son ouvrage le plus célèbre est intitulé On the Origins of Species by Means of Natural Selection, traduit sous le titre L’origine des espèces, publié en 1859.

Alfred Russell Wallace (1823-1913) propose une théorie de l’évolution par sélection naturelle similaire à celle de Darwin.  Il expose cette théorie dans un article, qu’il vérifia par Darwin.  C’est ce qui incite Darwin à publier enfin sa propre théorie.  En 1858, Charles Lyell présente l’essai de 1844 de Darwin et l’article de Wallace au public.

Vocabulaire

Surproduction : lorsque une espèce donne naissance à trop d'individus pour une environement

Compétition : quand une ou plusieurs espèces sont en interactions biologiques qui les forcent à chercher de la nourriture, des ressources et des partenaires sexuelles.

Variation : différences en traits génotypique et phénotypique

 Adaptation : changement de traits à travers plusieurs génération par rapport à une advantage offerte dans une environnement 

Sélection naturelle :un des mécanisme de l'évolution des espèces qui explique pourquoi il y a du succès reproductif différentiel entre des individus du même espèces et le succès différentiel des gènes présents dans une population.  

Différenciation des espèces (ou spéciation) : lorsque les cellules devienne spécialisé durant le développement de l'embryon. par exemple les cellules neurales et les cellules épithéliale

La variation au sein d’une espèce est le résultat de mutations au niveau de l’ADN.  Ces mutations sont la source de nouveaux allèles, les variations sur lesquelles la sélection naturelle peut agir.  Comme vous le savez les mutations surviennent de façon aléatoire au sein d’une population, et qu’elles peuvent induire un changement dans la structure ou la fonction de l’organisme.  C’est l’environnement qui détermine si la mutation sera bénéfique ou néfaste.  L’évolution choisit ensuite les organismes qui sont mieux adaptés à leur environnement en ce stade.

Une adaptation : Selon Campbell et Reece 3e édition, "accumulation de caractères héréditaires, qui accroit la capacité d'un organisme de survivre et de se reproduire dans des environements précises"

Les organismes qui sont mieux adaptés à leur environnement sont plus « apte ». Puisque les adaptations contribuent à la survie, un organisme aura plus de chance de transmettre à ses descendants les caractères particuliers qui l’ont aidé à survivre.  La plupart des adaptations se font légèrement et graduellement dans le temps.

Exemples :

Les adaptations comportementales sont liées à la façon dont les organismes réagissent à leur environnement. Ex :

Les adaptations structurales inclus : le bec d’un oiseau peut se courber ou s’amincir de peu en peu pour éventuellement devenir très courbé ou très mince plusieurs générations plus tard.  Le mimétisme est un type d’adaptation structurale qui permet à une espèce de ressembler à un autre.  La larve de chenille du grand sphinx de la vigne prend l’allure d’un serpent quand un oiseau approche.  Le camouflage est un autre type d’adaptation physiologique.  Ce type d’adaptation augmente les chances de survie.

Il y a cependant une différence une adaptation et une acclimatation.  L’acclimatation est lorsqu’un organisme devient habitué aux conditions changeantes de son environnement.  Ce n’est pas le résultat d’une sélection naturelle.  Il n’y a pas de changement dans le fonds génétique de l’espèce.

La sélection naturelle

Correspond au succèes différentiel dans la production (pas tous les individus vont avoir la même capacité de reproduire)

avec du temps, un environement va avoir des organismes qui sont spécialisé pour cette environement

si l'environement change, les individus doivent adapter et avec du temps peut-être un nouveau espèce serait "né". De plus, si les organismes voyage vers un nouveau environment, il doit adapter aussi. 

La survie du plus puissant ou le meilleur adapté. « La survie du plus apte » Ex : bactéries résistants au antibiotiques et les insectes résistants aux pesticides.

Pourquoi ?  Celui qui est le plus puissant ou qui a une adaptation sera plus apte dans son environnement.  Il va mieux se nourrir ou se protéger que les autres de son espèce, donc ses chances de survie son statistiquement plus grande.  Ainsi, les caractéristiques ou adaptation qui aide les espèces les plus vont être hérités par les générations futures.

C’est présent dans la nature, mais est-ce que l’humanité garde cette loi en vigueur ?  Pourquoi ?  Quelles sont les conséquences de ceci ?

1.  C’est quoi l’évolution ?

2.  Quelle est la différence entre une théorie et une loi ?

3.  Qui était le premier scientifique à publier ses idées sur l’évolution d’après la sélection naturelle ?  Où a-t-il voyagé pour faire ses découvertes et quel était le nom de son bateau ?

4.  Décrivez le terme « adaptation » et donnez deux exemples de ceci.

5.  Énoncez la théorie de la sélection naturelle.

Les Exaptations

Une exaptation ou préadaptation est une adaptation sélective dans laquelle la fonction actuellement remplie par l'adaptation n'était pas celle remplie initialement, avant que n'intervienne la pression de la sélection naturelle.

L'origine du terme exaptation est attribuée aux biologistes Stephen J. Gould et Elizabeth Vrba, dans un article qui expliquait comment des caractéristiques physiques complexes peuvent apparaître et évoluer à partir de structures initiales simples

Un exemple est un lézard africain Holaspis guentheri, qui a développé une tête extrêmement apâlis pour se cacher dans les crevasses, cependant la tête est devenue tellement aplatis qu’elle aide l’animal à flotter d’arbre à arbre.

La sélection artificielle

Depuis plusieurs siècles l’être humain fait la sélection artificielle de caractères particuliers des organismes.  C’est ainsi qu’on a produit des plantes résistantes à la maladie, des vaches qui produisent plus de lait et des chevaux de course plus rapides.  La sélection artificielle consiste à croiser des individus afin de voir apparaître des caractères recherchés dans les générations suivantes.  Ex :

La grande différence entre la sélection naturelle et la sélection artificielle c’est que premièrement l’environnement à un grand rôle dans la sélection naturelle et les humains jouent ce rôle dans la sélection artificielle. Il est important de mentionné que la sélection naturelle n’anticipe pas les changements. Les adaptations sont faites aléatoirement et s’ils augmentent l’efficacité d’un processus ou aide à la survie de l’organisme, le caractère s’hérité par les générations futures.

Le terme « microévolution » :

 Il englobe le processus de sélection naturelle, les variations des fréquences des allèles et les changements qui se produisent au sein de populations au fil du temps.  Le mélanisme industriel et l’apparition de bactéries résistantes aux antibiotiques sont des exemples de microévolution.

La macroévolution

L’évolution de nouvelles espèces à partir d’un ancêtre commun, comme chez les pinsons de Darwin. Les biologistes évolutionnistes d’aujourd’hui ne s’entendent pas sur la mesure dans laquelle les mécanismes de la microévolution peuvent expliquer les profils macroévolutifs.

C’est important de noter que la sélection naturelle et l’évolution ne sont pas des processus qui garantissent un état de perfection chez les organismes.  La sélection naturelle agis sur la variation déjà présente au sein d’une espèce.  (L’humain, sous l’influence de la lumière ne vas pas un jour être capable de créer sa propre nourriture pas photosynthèse.  Les adaptations ne sont pas parfaites non plus.  Si un changement survient dans l’environnement, un bon nombre d’individus vont mourir, car ils ne sont pas adaptés à leur nouvel environnement.

Les découvertes de Darwin

·         

Darwin a donc proposé deux idées principales :

1.     les formes actuelles de vie proviennent d’espèces ancestrales modifiées

2.     le mécanisme de cette modification est la sélection naturelle qui se produit continuellement sur les longues périodes.

LES PINSONS DE DARWIN (Finches)

La théorie de l’évolution a rendu les pinsons célèbres, et ceux-ci peuvent en être reconnaissants à Charles Darwin. Ils ont la taille de moineaux avec une coloration sombre, et se répartissent sur toutes les îles. Ils sont très bruyants et n’ont aucune crainte de l’homme.

Quoiqu’appartenant à la famille des pinsons, ils constituent une sous-famille : les Geospizae, que l’on ne trouve qu’aux Galápagos et sur l’île des Cocos plus au nord. Treize espèces sont endémiques à l’archipel, toutes issues d’une espèce originelle : "Melanospiza richardsonhi", le pinson de Ste Lucie aux Caraïbes.

La ressemblance entre les pinsons est très frappante, et seul l’œil du spécialiste peut les distinguer parfaitement. La diversité de structure dans ce petit groupe d’oiseaux éveilla l’intérêt de Darwin en 1835, qui réalisa, longtemps après son voyage, qu’une espèce-mère s’était modifiée à des fins différentes et pour des fonctions spécifiques (1845).  Les pinsons peuvent être regroupés en plusieurs genres, suivant la forme caractéristique de leur bec et, suivant leurs habitudes alimentaires. On distingue donc 4 groupes et 6 genres, avec le pinson de l’île des Cocos :

·        Les pinsons de terre (Geospiza, 6 espèces).

·        Le pinson végétarien  (Platyspiza, 1 espèce).

·        Les pinsons des arbres (Camarynchus, 3 espèces; Cactospiza, 2 sp).

·         Le pinson chanteur (Certhidea, 1 espèce).

Lack et Bowan, deux scientifiques qui se sont penchés sur la question depuis Darwin, ont chacun une interprétation différente concernant l’évolution des pinsons.  Lack, pense que ____la compétition pour la nourriture  furent des facteurs importants dans l’évolution des pinsons.  Bowan quant à lui, affirme que seule _la réproduction était la cause d’adaptation particulière ; donc, pas de compétition.

Les faits qui appuient la théorie de l’évolution

1. Les fossiles:

-les similarités entre les fossiles peuvent promouvoir l'hypothèse que certains êtres vivants sont parenté

2. les indices morphologiques:
- certains animaux ont des vestiges qu'on pense viennent des anciennes parties du corps de leurs ancêtre, par exemples des vestiges de pattes chez des serpents.
-les pattes des tétrapodes proviennent des nageoire des poissons
-

3. les indices moléculaires:
-tous les êtres vivants utilise l'ADN comme base génétique.
-l'ADN code pour les protéines chez tous les êtres vivants
- après qu'on fait la séquences des différents êtres vivants, il y a des séquences similaires qui codes pour des protéines similaires

4. les indices comportementales: ex. Cnemidophorus lacertidés est une lézard où il y a seulement des femelles de cette espèce, mais il vont s'accoupler comme des mâles et femelles 

Les types de Sélection naturelle

La sélection naturelle stabilisatrice, directionnelle et divergente représente des moyens d’influer sur la variation génétique.

Sélection stabilisatrice :

Sélection directionnelle :

Sélection divergente :

1.  Expliquez la différence entre microévolution et macroévolution.

2.  Expliquez la différence entre la sélection naturelle et la sélection artificielle.

3.  Expliquez les trois termes suivant et donnez un exemple de ceux-ci.

a) sélection stabilisatrice :

b) sélection directionnelle :

c) sélection divergente :

4. Nommez deux preuves que Darwin a utilisées pour défendre ses théories.

5.  Indiquez les deux idées principales de Darwin auquel il à plus tard basé sa théorie de l’évolution.

6. Nommez les 4 groupes de pinsons que Darwin a classifiés.

Le principe de Hardy-Weinberg

C’est un modèle mathématique portant sur la fréquence des allèles dans un pool génique.  Si la fréquence des allèles ne varie pas dans une population au cours des générations successives, il n’y a pas d’évolution et la population est en équilibre.  Pour que l’équilibre soit maintenu, plusieurs conditions doivent être présentes :

1.       absence de mutation, donc pas de changement dans les allèles ;

2.       absence d’immigration et d’émigration, sinon il y aurait altération du pool génique ;

3.       population nombreuse, pour que les changements ne surviennent pas seulement de façon aléatoire ;

4.       toute la reproduction doit se faire de façon totalement aléatoire pour qu’une forme de l’allèle ne soit pas privilégiée au détriment de l’autre ;

5.       toutes les formes de l’allèle doivent se reproduire aussi bien pour qu’il n’y ait pas de sélection naturelle.

Comme il est pratiquement impossible de satisfaire à toutes ces conditions, la fréquence des allèles varie dans les populations, donc il y a évolution.  Le principe de Hardy-Weinberg sert également à expliquer pourquoi les génotypes d’une population ont tendance à demeurer les mêmes, et à déterminer la fréquence d’un allèle récessif.

La principale application du principe de Hardy-Weinberg dans la génétique des populations se fait dans le calcul des fréquences d’allèles et de génotypes dans une population.  C’est le moyen qui permet de déterminer les variations de fréquence allélique et leur taux de changement.  Aider les élèves à faire des calculs sur la génétique des populations.

<http://fr.wikipedia.org/wiki/Principe de Hardy-Weinberg>

Calculs de fréquences alléliques et génotypiques d’après l’équation Hardy-Weinberg.

Dans une population stable, la fréquence des allèles égale 1.

On peut exprimer ainsi : p + q = 1, où :

p = fréquence de l’allèle dominant

q = fréquence de l’allèle récessif

L’équation est donc :

Pourquoi les allèles récessifs ne disparaissent pas d’une population ?

La distribution de l’allèle responsable de la drépanocytose (anémie falciforme) peut être utilisée comme exemple pour les calculs.  Dans certaines régions de l’Afrique, la fréquence de l’allèle récessif de la drépanocytose est de 0,3.  La fréquence de l’allèle de l’hémoglobine normale se calcule donc comme suit : 1- 0,3 = 0,7.

La variation génétique dans un pool génétique

·  La sélection naturelle influe sur les variations dans une population car les individus les plus aptes survivent et se reproduisent, transmettant leurs gènes aux générations successives.

·  Les migrations entrantes et sortantes d'individus d'une population influent sur les fréquences alléliques et donc sur le flux génétique.

·  Les changements dans le pool génique d'une petite population qui sont dus au hasard entraînent une dérive génétique. L'effet de goulot d'étranglement est une forme de dérive génétique qui résulte de l'extinction quasi complète d'une population. L'effet fondateur représente une forme de dérive génétique où un petit nombre d'individus colonisent un nouveau secteur. Dans les deux cas, la fréquence des allèles peut changer de façon spectaculaire.

·  Chez les animaux, l'accouplement non aléatoire (dirigé) est plus souvent le cas puisque le choix des partenaires joue souvent un rôle important dans le comportement (p. ex., parade nuptiale). Bien des plantes s'autopollinisent, ce qui est une forme d'autofécondation ou de reproduction non aléatoire.

·  Les mutations, bien que rares, se produisent constamment. Elles sont la source de nouveaux allèles, ou de variations qui peuvent enclencher une sélection naturelle.

La spéciation

En biologie, la spéciation :

Le processus évolutif par lequel de nouvelles espèces vivantes se forment à partir d'ancêtres communs

Une espèce n'apparaît pas instantanément par une mutation conduisant à l'apparition d'un individu d'un type nouveau. Les espèces s'individualisent à partir de populations appartenant à une espèce d'origine (sauf pour le cas de certains végétaux, voir plus bas). Il s'agit donc de l'évolution de populations interfécondes - composant une même espèce, par définition - en population non-interfécondes, c'est-à-dire isolées sur le plan reproducteur. Elles prennent ainsi le statut d'espèces biologiques vraies. La spéciation résulte de la sélection naturelle et/ou de la dérive génétique, qui sont les deux moteurs de l'évolution. Le concept de spéciation a été essentiellement développé par Ernst Mayr.

On distingue plusieurs types de spéciation, basés sur la répartition géographique des populations en divergence au cours du processus :

·                     Spéciation allopatrique :

• Spéciation péripatrique ou spéciation par effet fondateur :

• Spéciation parapatrique :

• Spéciation Sympatrique

Les changements du comportement peuvent mener à un isolement sur le plan de la reproduction.  Advenant qu’un groupe de mammifères nocturnes deviennent actifs durant la journée, ils ne pourraient plus s’interféconder avec leurs semblables qui sont actifs la nuit.  La mutation chromosomique peut aussi induire un isolement au niveau de la reproduction.  Une anomalie du processus de la méiose d’une plante peut mener à la polyploïdie.  Comme les plantes peuvent se reproduire par multiplication asexuée et s’autopolliniser, le nouveau polyploïde peut se reproduire, même s’il est isolé génétiquement des parents.

L’évolution divergente (aussi appelée rayonnement adaptatif)

L’évolution convergente

La vitesse du changement évolutif

Le gradualisme :

L’équilibre intermittent :

La théorie de l’évolution continue d’être peaufinée et enrichie à mesure que nos connaissances en biologie s’accumulent.  La nouvelle synthèse moderne de la théorie de l’évolution (parfois appelée néo-darwinisme) présente des constatations tirées d’observations en génétique, en biologie des populations, en paléontologie et plus récemment en biologie évolutive et développementale.  Parmi les principaux chercheurs à l’origine de ce mouvement, mentionnons les suivants :

·        Theodosius Dobzhanzky (1900-1975) est l’un des biologistes ayant forgé la théorie moderne de l’évolution, qui combine génétique et évolution.  Il décrit l’évolution comme étant une variation de la fréquence d’un allèle dans un pool génétique.

·        Ernst Mayr (1904-2005) fait partie des biologistes à l’origine de la théorie moderne de l’évolution intégrant génétique et évolution.  A élaboré le concept d’espèce biologique et d’un mécanisme péripatrique.

·        Niles Eldredge (1943-présent) et Stephen Jay Gould (1941-2002) ont proposé la théorie de l’équilibre intermittent, selon laquelle les changements observés chez une espèce peuvent survenir assez rapidement, séparés par de longues périodes sans changement important (équilibre).

L’extinction

L’extinction est la disparition de tous les membres d’une espèce particulière. Ceci est due au fait que les individus de l’espèce en question n’ont pas été capable de s’adapter assez rapidement avec leur environnement. L’extinction est une partie naturelle de la vie et est l’opposé de la spéciation. Les humains doivent cependant faire attention au fait qu’ils peuvent causer une extinction précoce d’une espèce causée par la destruction des habitats naturelle ou la chasse en excès.

Ex :

1.  Nommez 3 des 5 conditions nécessaires pour maintenir Hardy-Weinberg.

2. La fréquence du gène de Chuck Norris, qui donne la capacité au gens de devenir aussi fort, rapide, intelligent et ayant autant d’expérience dans les arts martiaux, est de 0,4.  Sachant que cet allèle est récessif, en utilisant le principe de Hardy-Weinberg indiquez le suivant : (4)

a) le pourcentage d’individu homozygote dominant :

b) le pourcentage d’individu « Chuck Norris » :

c) le pourcentage d’individu hybride :

d) le pourcentage d’individu portant l’allèle de « Chuck Norris » :

3.  C’est quoi la spéciation ?

4. Expliquez la différence entre les termes suivants :

a) spéciation allopatrique :

b) spéciation péripatrique :

c) spéciation parapatrique :

5.  Expliquez la différence entre l’évolution convergente et l’évolution divergente.

6. Expliquez comment la sélection naturelle fonctionne.

7. C’est quoi une exaptation ? Donnez un exemple.

8. Expliquez c’est quoi l’extinction ? Donnez un exemple. Expliquez comment ceci peut être une bonne ou une mauvaise chose.