Name: fitness and selection in populations
Uploaded: 2019-01-31T09:27:05.000Z
Duration: 6 min 48 s
Channel: JoVE

K12 Standards

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NC K-12 Science Standard Course of Study

9-12

Biology

Biological Evolution- Unity and Diversity

LS.Bio.9.1

Natural Selection

Avez-vous déjà entendu l’expression « la survie du plus fort » ? Lorsque la plupart des gens entendent cette phrase, ils pensent à des caractéristiques de forme physique telles que la vitesse, la force et l’endurance. Mais qu’entendent vraiment les biologistes par forme physique ?
Tout a commencé lorsque Charles Darwin a publié L’Origine des espèces en 1859, qui a suscité de nombreux débats. La théorie de la sélection naturelle de Darwin, qu'il a définie comme « le principe par lequel chaque variation légère, si elle est utile, est préservée », a suscité l'intérêt d'un éminent penseur du XIXe siècle, Herbert Spencer. Dans son livre, Principles of Biology, Spencer a inventé l'expression « survie du plus apte » pour expliquer la sélection naturelle de Darwin. Cette phrase a trouvé un écho chez beaucoup, y compris Darwin lui-même, et le terme fitness est devenu populaire. 
Cependant, lorsque les biologistes pensent à la forme physique d'un organisme, ils ne pensent pas à sa force, à sa vitesse ou à son endurance. Au lieu de cela, ils considèrent simplement la forme physique comme le succès reproductif d’un organisme par rapport aux autres. Prenez ces lièvres d’Amérique par exemple. Les organismes ayant une plus grande valeur adaptative relative ont des adaptations qui leur permettent d’avoir plus de descendants qui survivent et se reproduisent. Ces adaptations sont appelées phénotypes, définis simplement comme une expression visuelle d’un caractère. Par exemple, les lièvres d’Amérique sont bruns en été, mais développent un pelage blanc lorsque la température baisse. La possibilité de changer la couleur de la fourrure permet aux lièvres d’Amérique de se camoufler. Étant donné que les lièvres au pelage d’hiver blanc sont moins visibles pour les prédateurs dans la neige, les taux de survie sont beaucoup plus élevés pour les lièvres qui deviennent blancs en hiver. En conséquence, plus de lièvres changeant de couleur survivront pour se reproduire en été. 
Pour déterminer s’il y a sélection par rapport à un phénotype, les scientifiques calculent la valeur adaptative de chaque phénotype, connue sous le nom de valeur adaptative relative, ou « w ». Pour ce faire, on multiplie le taux de survie - qui est la proportion de ce phénotype qui survit - par le taux de reproduction de chaque phénotype, c’est-à-dire la taille moyenne de la portée par saison d’accouplement. Ensuite, la valeur du produit de chaque phénotype est divisée par la valeur du produit la plus élevée parmi les phénotypes.
Une fois que les scientifiques connaissent la valeur adaptative relative, ils peuvent calculer le coefficient de sélection, ou « s », qui est la force de la sélection par rapport à un phénotype, en soustrayant la valeur adaptative relative de 1. Des nombres plus élevés signifient une sélection plus forte contre ce phénotype individuel. Les scientifiques peuvent utiliser les coefficients de survie, de valeur adaptative relative et de sélection pour déterminer si les populations peuvent changer au fil du temps. Par exemple, après la révolution industrielle, la survie et la valeur adaptative relative des papillons de couleur claire ont diminué et le coefficient de sélection contre eux a augmenté. L’effet sur la population de papillons mélaniques était exactement le contraire, car les conditions étaient favorables à leur survie. Après l’adoption de la loi sur la qualité de l’air, la suie s’est dissipée et les valeurs de survie, de valeur adaptative relative et de coefficient de sélection pour les deux phénotypes ont évolué dans des directions opposées - ce qui montre que la sélection a de nouveau favorisé les papillons légers. 
En général, la majorité des traits biologiques avec différents phénotypes potentiels présentent une distribution normale. Prenons l'exemple de ce groupe de coccinelles. Nous pouvons voir qu’ils ont un nombre varié de taches de zéro à 12, mais la valeur moyenne des traits se situe au milieu - ce qu’on appelle une distribution normale car la plupart des coccinelles de cette population ont six taches. La hauteur de la courbe indique le nombre d’individus dans la population présentant le caractère donné. Imaginez maintenant qu'il y ait une sélection contre les coccinelles avec peu ou pas de taches parce qu'elles absorbent moins de chaleur et ne survivent pas aussi bien par temps froid. Ce serait un exemple de sélection directionnelle qui favorise les valeurs extrêmes d’un trait dans une direction. 
Pour comprendre un autre type de sélection, regardons les rouges-gorges. Si une femelle rouge-gorge pond cinq œufs ou plus en une seule couvée, le risque de malnutrition augmente pour les poussins. Mais si les rouges-gorges pondent trois œufs ou moins, ils peuvent ne pas avoir de progéniture viable. Donc, ici, la sélection stabilisatrice, c’est tenir un caractère, la taille de la couvée, mais une valeur optimale... dont tout écart est désavantageux. Par conséquent, la plupart des rouges-gorges pondent quatre œufs. 
En Afrique de l’Ouest, les pinsons craquelins à gros bec à ventre noir cassent facilement les graines plus grosses et dures d’un type de carex tandis que les pinsons à petit bec manœuvrent sans effort et cassent les graines plus petites d’un autre type de carex. Les pinsons à bec moyen ne peuvent ouvrir aucune des graines aussi efficacement et sont donc rarement observés. Ce type de sélection est dit perturbateur - où les extrêmes d’un phénotype sont optimaux, ce qui crée une distribution bimodale qui s’écarte de la normale. 
Dans cet atelier, vous allez modéliser quatre scénarios de population à l’aide de cure-pipes de couleurs et de longueurs variables représentant différents phénotypes, puis déterminer le type de sélection qui se produit dans chaque scénario.

sélection naturelle

<h4>Aptitude</h4>
La variation généralisée des phénotypes dans les populations naturelles fournit la matière première de l’évolution, c’est-à-dire le changement des traits héréditaires des populations au fil des générations successives. La sélection naturelle est l’un des principaux mécanismes de l’évolution et nécessite que des traits variables soient héréditaires et associés à une survie différentielle et/ou à un succès reproducteur. Les phénotypes qui sont en corrélation avec un plus grand succès auront plus de descendants qui survivront pour se reproduire dans la génération suivante, et seront donc représentés à des niveaux plus élevés dans chaque génération successive.
Le succès reproducteur d'un organisme par rapport aux autres est connu sous le nom d'aptitude et tout trait héréditaire qui contribue à l'aptitude d'un organisme est connu sous le nom d'adaptation. Par conséquent, les individus ou les phénotypes ayant un succès reproductif plus élevé au cours de la vie sont considérés comme plus en forme et mieux adaptés à leur environnement.
Un exemple de condition physique différentielle provient du lièvre d’Amérique, qui est brun en été, mais qui développe un pelage blanc en hiver pour se camoufler dans la neige. Néanmoins, les lièvres qui conservent leur pelage brun d’été tout au long de l’année seraient désavantagés en raison de leur visibilité relativement plus élevée pour les prédateurs. Par conséquent, une plus grande visibilité des prédateurs diminuerait le taux de survie du phénotype du pelage brun par rapport au phénotype du pelage blanc, réduisant ainsi son succès de reproduction au cours de la vie. Le changement climatique, cependant, menace les organismes qui ne parviennent pas à s’adapter aux conditions, c’est pourquoi les chercheurs ont étudié comment les lièvres d’Amérique font face à des températures plus chaudes et à une diminution de la couverture neigeuse en hiver. Les lièvres d’Amérique qui développent un pelage blanc dans des environnements où la couverture de neige est réduite deviennent plus visibles pour les prédateurs, ce qui réduit leur succès de reproduction. Les chercheurs ont constaté que les lièvres d’Amérique ne modifiaient pas leur comportement pour s’adapter à l’inadéquation de leur camouflage1 et que les lièvres dépareillés connaissaient une diminution significative de leur taux de survie2.
Le calcul de la valeur adaptative repose sur les taux de survie et de reproduction relatifs des différents phénotypes d’une population. Pour un phénotype donné, le taux de survie est la proportion de ce phénotype qui survit, et le taux de reproduction est la progéniture moyenne produite par individu. Le rapport entre les produits de la survie et des taux de reproduction pour les différents phénotypes est connu sous le nom de valeur adaptative relative (w). Par conséquent, pour calculer w pour chaque phénotype (ou caractère), le produit multiplicateur des taux de survie et de reproduction est d’abord calculé pour les phénotypes individuels, puis il est divisé par la valeur du produit la plus élevée parmi eux.
w = (SurvieA x ReproductionA) / (Surviemax x Reproductionmax)
Cette équation peut être utilisée à son tour pour calculer l’intensité de la sélection sur différents phénotypes, ou le coefficient de sélection (s), en soustrayant w de 1. Par conséquent, la valeur du coefficient de sélection est comprise entre 0 et 1 ; Plus la valeur est faible, plus la sélection est élevée contre le caractère spécifique. Ainsi, un phénotype qui a une valeur adaptative maximale de 1,0 ne subira aucune sélection.
s = 1 – w
<h4>Sélection</h4>
Il existe trois principaux types de sélections : directionnelle, stabilisatrice et perturbatrice. La sélection directionnelle favorise les valeurs extrêmes d’un trait dans une direction et peut être induite par un changement dans l’environnement auquel la population doit s’adapter. Un exemple est l’évolution des structures différentielles de la mâchoire des poissons cichlidés d’Afrique de l’Est en fonction de la source de régime3. La sélection stabilisatrice maintient un caractère à une valeur optimale ; Il est généralement admis que tout écart par rapport à cet optimum est désavantageux. Par exemple, la taille du fœtus humain est sujette à une sélection stabilisatrice ; Les bébés nés trop petits ont moins de chances de survivre et les bébés trop gros ne peuvent pas passer par le canal génital lors de l’accouchement naturel4. La sélection perturbatrice favorise deux extrêmes différents d’un phénotype, créant une distribution bimodale. L’évolution des becs de pinson casse-graines d’Afrique de l’Ouest a donné lieu à deux phénotypes communs, de grands becs qui cassent facilement les graines de carex dures et de petits becs pour les graines molles. Les pinsons à bec moyen ne sont pas particulièrement doués pour consommer l’un ou l’autre type de graines, ils sont donc sélectionnés contre5.
L’une des façons les plus importantes dont la sélection naturelle affecte la vie des humains est l’augmentation des souches bactériennes résistantes aux antibiotiques dans les hôpitaux et en raison des pratiques agricoles qui utilisent des quantités importantes d’antibiotiques6. Le phénomène de la résistance aux antibiotiques est une sorte de forme involontaire de sélection naturelle imposée par l’homme.
La question qui se pose à l’avenir est de savoir si les populations naturelles seront en mesure de s’adapter aux effets du changement climatique assez rapidement pour éviter l’extinction. Cela dépend non seulement de la variation existante des populations, mais aussi de la force de la sélection suffisamment élevée pour influer sur un changement rapide de la population. À cet égard, la réduction de la taille des populations de nombreuses espèces dans le monde est particulièrement préoccupante.
<h4>Références</h4>
<ol class="références">
	<li>Marketa Zimova, L. Scott Mills, Paul M. Lukacs, Michael S. Mitchell. Les lièvres d’Amérique présentent une plasticité phénotypique limitée pour ne pas correspondre au camouflage saisonnier. Procédure de la Royal Society. 2014, vol. 281, 1782.</li>
	<li>Nowak, Marketa Zimova, L. Scott Mills, J. Joshua. Coûts élevés de la condition physique du décalage de camouflage induit par le changement climatique. Lettres d’écologie. 2016, vol. 19, 3 (299-307).</li>
	<li>R. Craig Albertson, J. Todd Streelman et Thomas D. Kocher. La sélection directionnelle a façonné les mâchoires buccales des poissons cichlidés du lac Malawi. PNAS. 2003, vol. 100, (9) 5252-7.</li>
	<li>Susan E. Hiby, Richard Apps, Olympe Chazara, Lydia E. Farrell, Per Magnus, Lill Trogstad, Håkon K. Gjessing, Mary Carrington et Ashley Moffett. Le KIR maternel en combinaison avec le HLA-C2 paternel régule le poids de naissance humain. J. Immunologie. 2014, vol. 192, (11) 5069-73.</li>
	<li>Clabaut C, Herrel A, Sanger TJ, Smith TB, Abzhanov A. Développement du polymorphisme du bec chez le casse-graines africain, Pyrénéestes ostrinus. Evol Dev. 2009, vol. 11, (6) 636-46.</li>
	<li>Witte, Wolfgang. Conséquences médicales de l’utilisation d’antibiotiques dans l’agriculture. science. 1998, vol. 279, (5353) 996-7.</li>
</ol>

Sélection naturelle

Aptitude
La variation généralisée des phénotypes dans les populations naturelles fournit la matière première de l’évolution, qui est le changement des traits héréditaires de ...

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Évolution

fitness and selection in populations

Fitness and natural selection shape how traits spread through a population over time. Variation in inherited phenotypes gives evolution its raw material. When a trait is heritable and affects survival or reproduction, natural selection can change how common that trait becomes in later generations.

Fitness means reproductive success compared with others in the same population. A heritable trait that improves fitness is called an adaptation. Individuals with higher lifetime reproductive success are considered more fit and better suited to their environment.

Snowshoe hares show how differential fitness works in nature. They are brown in summer and grow a white coat in winter to blend into snow. Hares that keep a brown coat all year are easier for predators to see, so they survive and reproduce less. Climate change now creates a mismatch for hares because warmer winters and less snow can make white coats easier to spot. Researchers have found that these hares did not change their behavior to fix the mismatch, and mismatched hares had lower survival rates.

Fitness can be calculated from survival rate and reproductive rate. Survival rate is the proportion that survives, and reproductive rate is the average number of offspring per individual. Relative fitness, or w, is found by dividing the product of survival and reproduction for one phenotype by the highest product in the group. The selection coefficient, s, is then 1 minus w. A phenotype with w = 1.0 has no selection against it.

Natural selection can act in three main ways. Directional selection favors one extreme of a trait, often after an environmental change. East African cichlid fish show this through different jaw shapes linked to diet. Stabilizing selection favors an intermediate optimum. Human fetus size is a good example because babies that are too small or too large can have lower survival. Disruptive selection favors both extremes and selects against the middle. West African seedcracker finches show this pattern because large beaks crack hard sedge seeds and small beaks handle soft seeds, while medium beaks are less effective.

Natural selection also affects human health. Antibiotic resistance in bacteria is a major example, especially in hospitals and in agriculture where antibiotics are used heavily. This is an unplanned form of selection caused by human activity. A major concern now is whether natural populations can adapt fast enough to climate change. Their chances depend on existing variation in the population, the strength of selection, and whether population sizes remain large enough for change to happen.

Fitness and Selection in Populations

natural selection

Fitness and natural selection shape how traits spread through a population over time. Variation in inherited phenotypes gives evolution its raw material. When a trait is heritable and affects survival or reproduction, natural selection can change how common that trait becomes in later generations. Fitness means reproductive success compared with others in the same population. A heritable trait that improves fitness is called an adaptation. Individuals with higher lifetime reproductive success...

artificial selection

Selective Breeding in Dogs and Crops

Artificial selection, also called selective breeding, is the human choice of which plants or animals reproduce. It uses natural variation in a population to produce traits people want. Over many generations, this can create domesticated organisms that look very different from their wild ancestors. Natural selection is a different process, but it helps explain how change happens in nature. In adaptive evolution, differences in traits can lead to differences in survival and reproductive success.

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Hardy-Weinberg tests help scientists check whether a population is changing over time. Because evolution happens slowly and over large areas, researchers often use mathematical models to study it. These models use measurable data and computer simulations to predict how allele frequencies may shift across many generations. The Hardy-Weinberg equilibrium equation is one common model. It was developed independently in 1908 by G. H. Hardy and Wilhelm Weinberg. The equation gives the expected...

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Learn how fitness, relative fitness, and selection coefficients explain natural selection, plus examples such as snowshoe hares, cichlid fish, and antibiotic resistance.

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Texas Essential Knowledge and Skills

BIO.10

BIO.10.B

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LS.Bio.9.2

Use models to illustrate the conditions required for natural selection, including the overproduction of offspring, inherited variation, and the struggle to survive.

LS.Bio.9.3

Construct an explanation to explain how natural selection leads to adaptations within populations.

Extinction

The History of Life on Earth
Fossils of organisms that were different from anything alive today had been documented as early as the 17th century, but it ...

Diversity and Extinction during the Paleogene Epoch
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Diversity and Extinction during the Paleogene Epoch
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LS.Bio.10.1

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Next-generation sequencing technologies have created large genomic databases of a variety of animals and plants. Ever since the human genome project was ...

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LS.Bio.10.2

Understand natural selection as a mechanism for biological evolution.

Fitness and Selection in Populations

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