Sciences de la vie et de la Terre · Seconde · Biodiversité, résultat et étape de l'évolution · 1er Trimestre

La dérive génétique et ses effets

Les élèves explorent le concept de dérive génétique, son rôle dans l'évolution et ses conséquences sur la diversité génétique.

• Programmes Officiels
• MEN: Lycee - Mécanismes de l'évolution
• MEN: Lycee - Sélection naturelle et dérive

À propos de ce thème

La dérive génétique désigne les fluctuations aléatoires de la fréquence des allèles au sein d'une population, indépendamment de tout avantage sélectif. Ce mécanisme, inscrit au programme de Seconde de l'Éducation nationale, est particulièrement marqué dans les petites populations où le hasard de la reproduction peut faire disparaître un allèle ou le fixer en quelques générations. Les élèves découvrent ainsi que l'évolution n'est pas uniquement dirigée par la sélection naturelle.

Deux cas particuliers sont étudiés : l'effet fondateur, lorsqu'un petit groupe fonde une nouvelle population avec une diversité génétique réduite, et le goulot d'étranglement, lorsqu'une catastrophe réduit brutalement l'effectif. Ces phénomènes expliquent pourquoi certaines populations isolées présentent une diversité génétique faible. Les simulations avec des urnes de billes ou des générateurs aléatoires permettent aux élèves de constater par eux-mêmes que le hasard produit des résultats très différents selon la taille de l'échantillon, rendant ce concept statistique immédiatement accessible.

Questions clés

1. Expliquez le mécanisme de la dérive génétique et son impact sur la fréquence des allèles.
2. Comparez la dérive génétique et la sélection naturelle comme moteurs de l'évolution.
3. Analysez les effets de la dérive génétique sur les petites populations, comme l'effet fondateur et le goulot d'étranglement.

Objectifs d'apprentissage

• Expliquer le mécanisme de la dérive génétique en décrivant les fluctuations aléatoires des fréquences alléliques dans une population.
• Comparer la dérive génétique et la sélection naturelle en identifiant leurs rôles distincts et leurs effets sur la diversité génétique.
• Analyser les effets spécifiques de la dérive génétique sur les petites populations, tels que l'effet fondateur et le goulot d'étranglement.
• Calculer les fréquences alléliques avant et après un événement de dérive génétique simulé.

Avant de commencer

Notions de base de génétique (allèles, génotype, phénotype)

Pourquoi : Les élèves doivent comprendre ce qu'est un allèle et comment sa fréquence peut varier pour saisir le concept de dérive génétique.

Principes de base de la sélection naturelle

Pourquoi : Il est essentiel que les élèves aient déjà une compréhension de la sélection naturelle pour pouvoir comparer et contraster ses effets avec ceux de la dérive génétique.

Vocabulaire clé

Dérive génétique	Fluctuation aléatoire de la fréquence des allèles dans une population, particulièrement marquée dans les petites populations, indépendamment de la sélection.
Fréquence allélique	Proportion d'une version spécifique d'un gène (un allèle) au sein d'une population.
Effet fondateur	Réduction de la diversité génétique lorsqu'une nouvelle population est établie par un petit nombre d'individus issus d'une population plus grande.
Goulot d'étranglement	Réduction drastique de la taille d'une population, entraînant une perte de diversité génétique due à une mortalité massive.
Allèle	Une des formes possibles d'un même gène, située à un endroit donné sur un chromosome.

Attention à ces idées reçues

Idée reçue courante

La dérive génétique n'a lieu que dans les petites populations.

Ce qu'il faut enseigner à la place

La dérive agit dans toutes les populations, car la reproduction implique toujours un tirage aléatoire des allèles. Simplement, ses effets sont masqués dans les grandes populations par la loi des grands nombres. La comparaison directe entre tirages de 10 et 100 billes rend ce point immédiatement visible.

Idée reçue courante

La dérive génétique est moins importante que la sélection naturelle.

Ce qu'il faut enseigner à la place

Dans les petites populations, la dérive peut avoir un impact bien supérieur à la sélection, au point de fixer des allèles défavorables. Les deux mécanismes coexistent et leur importance relative dépend du contexte. L'analyse du cas du guépard permet de mesurer les conséquences concrètes de la dérive.

Idées d'apprentissage actif

Jeu de simulation: L'urne de la dérive

Chaque groupe tire des billes de deux couleurs dans un sac pour simuler la transmission aléatoire des allèles d'une génération à l'autre. Ils réalisent l'expérience avec 10 billes (petite population) puis 100 billes (grande population) et comparent la variabilité des résultats entre les deux tailles d'échantillon.

40 min·Petits groupes

Penser-Partager-Présenter: Dérive vs sélection

Les élèves reçoivent trois scénarios de changement de fréquence allélique. Individuellement, ils déterminent si la cause est la sélection ou la dérive, puis confrontent leur raisonnement avec un voisin. La mise en commun met en évidence que les deux forces agissent simultanément.

25 min·Binômes

Étude de cas: Le guépard et le goulot d'étranglement

Les élèves analysent des données génétiques montrant la très faible diversité du guépard actuel. Ils reconstruisent l'histoire démographique de l'espèce et expliquent les risques pour sa survie, puis proposent des mesures de conservation fondées sur le maintien de la diversité génétique.

45 min·Petits groupes

Modélisation numérique : Dérive aléatoire

À l'aide d'un tableur ou d'un logiciel de simulation, les élèves lancent 20 simulations de dérive pour une population de 20 individus et 20 simulations pour une population de 1 000 individus. Ils comparent le nombre de fixations et de pertes d'allèles pour quantifier l'effet de la taille.

35 min·Binômes

Liens avec le monde réel

• La conservation des espèces menacées, comme le panda géant, utilise la compréhension des goulots d'étranglement pour évaluer la diversité génétique restante et planifier des programmes de reproduction afin de minimiser la consanguinité.
• L'étude des populations humaines isolées, telles que celles des îles du Pacifique, révèle des fréquences alléliques spécifiques dues à des effets fondateurs historiques, expliquant par exemple une prévalence accrue de certaines maladies génétiques.
• En agriculture, la sélection de variétés végétales pour des cultures à grande échelle peut involontairement créer des goulots d'étranglement génétiques, rendant les cultures plus vulnérables aux maladies ou aux changements environnementaux.

Idées d'évaluation

Vérification rapide

Distribuer des urnes avec différentes proportions de billes colorées (représentant les allèles). Demander aux élèves de piocher un petit échantillon (ex: 10 billes) pour simuler une petite population et noter les nouvelles fréquences. Comparer les résultats entre groupes pour illustrer la variabilité due au hasard.

Question de discussion

Poser la question : 'Dans quel scénario (sélection naturelle ou dérive génétique) un allèle conférant un léger désavantage pourrait-il persister ou même devenir dominant dans une petite population ?' Guider la discussion vers les effets du hasard dans la dérive génétique.

Billet de sortie

Sur un carton, demander aux élèves de définir en une phrase la différence clé entre la sélection naturelle et la dérive génétique, puis de donner un exemple concret d'une situation où la dérive génétique a eu un impact significatif.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que l'effet fondateur en génétique ?

Quand un petit groupe d'individus colonise un nouveau territoire, il n'emporte qu'un échantillon de la diversité génétique de la population d'origine. Certains allèles rares peuvent se retrouver surreprésentés ou totalement absents. Cela explique des fréquences alléliques inhabituelles dans des populations isolées.

Comment le goulot d'étranglement affecte-t-il une espèce ?

Une réduction brutale de l'effectif (épidémie, catastrophe) élimine au hasard une grande partie de la diversité génétique. Les survivants refondent la population avec un patrimoine appauvri. Cela rend l'espèce plus vulnérable aux maladies et moins capable de s'adapter à de nouveaux changements environnementaux.

Pourquoi la diversité génétique est-elle importante pour la survie d'une espèce ?

Une forte diversité génétique signifie que la population possède un large éventail de réponses possibles face aux changements. Si un nouveau pathogène apparaît, il est probable que certains individus possèdent des allèles de résistance. Une faible diversité augmente le risque d'extinction collective.

En quoi les simulations aléatoires aident-elles à comprendre la dérive ?

La dérive est un phénomène probabiliste difficile à saisir par la seule lecture d'un cours. En réalisant des tirages répétés et en comparant les résultats, les élèves constatent physiquement que le hasard peut produire des écarts considérables dans les petits échantillons. Cette expérience directe ancre le concept bien plus solidement qu'une explication théorique.