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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
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.
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.
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