Origine de la vie
L'univers a environ 20 milliards d'années (Big Bang). La Terre s'est formée il y a environ 4,5 milliards d'années. L'atmosphère primitive contenait de la vapeur d'eau, du méthane, du dioxyde de carbone et de l'ammoniac, mais pas d'oxygène libre. Les UV et la foudre fournissaient l'énergie.
- Création spéciale : la vie vient d'un acte divin (impossible à tester).
- Panspermie : des « graines » de vie sont venues de l'espace.
- Génération spontanée : la vie naît de la matière en décomposition. Louis Pasteur l'a réfutée avec des ballons à col de cygne : le bouillon bouilli restait sans microbes.
- Évolution chimique (Oparin–Haldane) : molécules minérales simples → molécules organiques (acides aminés, sucres, bases) → molécules plus grosses → premières formes semblables à des cellules.
Expérience de Miller–Urey (1953)
Stanley Miller a enfermé CH₄, H₂, NH₃ et de la vapeur d'eau dans un ballon à 800 °C et y a fait passer des étincelles électriques. Au bout d'une semaine, il a trouvé des acides aminés. D'autres ont trouvé des sucres, des bases, des pigments et des graisses dans des montages semblables. La première vie sans cellule est probablement apparue il y a environ 3 milliards d'années sous forme de molécules capables de se copier (ARN), et les premières cellules, il y a environ 2000 millions d'années, vivaient dans l'eau.
Preuves de l'évolution
- Paléontologie (fossiles) : des roches d'âges différents contiennent des formes de vie différentes ; les couches les plus anciennes contiennent des formes plus simples. Les fossiles montrent des êtres disparus et des liens entre les groupes.
- Organes homologues (même plan, fonctions différentes) : ils montrent l'évolution divergente : membres antérieurs de la baleine, de la chauve-souris, du guépard et de l'homme (humérus, radius, cubitus, carpiens…) ; cœurs et cerveaux des vertébrés ; épine du bougainvillier et vrille de Cucurbita (deux tiges modifiées).
- Organes analogues (plan différent, même fonction) : ils montrent l'évolution convergente : ailes du papillon et de l'oiseau ; œil de la pieuvre et des mammifères ; nageoires du manchot et du dauphin ; patate douce (racine) et pomme de terre (tige).
- Embryologie : tous les embryons de vertébrés ont des fentes branchiales. Haeckel pensait que les embryons rejouent les stades adultes de leurs ancêtres ; von Baer a rejeté cette idée : un embryon ne passe jamais par les stades adultes d'autres animaux.
- Ressemblance moléculaire : des protéines et des gènes semblables (par exemple le cytochrome c, l'ADN) chez des organismes apparentés.
- Évolution observée aujourd'hui : mélanisme industriel chez les phalènes du bouleau près des usines en Angleterre ; résistance aux herbicides, aux pesticides et aux antibiotiques ; sélection artificielle chez les chiens, les bovins et les plantes cultivées.
Darwin, Lamarck et de Vries
Lamarck disait que les organes changent par l'usage et le non-usage et que ces changements se transmettent (par exemple la girafe qui étire son cou). Ce n'est pas confirmé : les caractères acquis ne sont pas héréditaires.
Charles Darwin a voyagé sur le H.M.S. Beagle et y a observé des pinsons, des tortues et des fossiles. Avec Alfred Wallace (archipel malais), il a formulé la théorie de la sélection naturelle :
- Les organismes font beaucoup plus de petits que le nombre qui peut survivre (surproduction).
- Les ressources sont limitées, il y a donc une lutte pour l'existence.
- Les individus varient ; certaines variations sont héréditaires.
- Ceux qui ont des variations utiles survivent et se reproduisent davantage (fitness = succès reproductif).
- Au fil de nombreuses générations, les variations utiles se répandent et de nouvelles espèces apparaissent (descendance avec ramification).
Hugo de Vries a travaillé sur l'onagre et a dit que de grands changements soudains, les mutations, causent l'évolution (saltation), contrairement aux petites variations orientées de Darwin.
Théorie synthétique moderne
Darwin ne connaissait pas les gènes. La théorie synthétique moderne relie la sélection naturelle de Darwin à la génétique de Mendel et à l'étude des populations. Évolution = changement des fréquences alléliques dans le pool de gènes d'une population au fil des générations.
Cinq facteurs changent les fréquences des allèles : la mutation, la recombinaison génétique, le flux de gènes (migration), la dérive génétique et la sélection naturelle. L'isolement (géographique ou reproductif) garde ensuite les groupes séparés, et ils deviennent de nouvelles espèces.
Mutation, recombinaison et types de sélection naturelle
- Mutation : un nouvel allèle apparaît à la suite d'un changement de l'ADN. C'est la première source de toute nouvelle variation. La technique des répliques sur velours de Lederberg a montré que les mutations chez les bactéries apparaissent avant la rencontre avec le médicament ; le médicament ne fait que les sélectionner.
- Recombinaison : le crossing-over pendant la méiose et la fécondation au hasard mélangent les allèles en de nouvelles combinaisons.
Trois types de sélection naturelle (pense à une courbe en cloche)
- Stabilisante : le type moyen est favorisé ; les deux extrêmes sont éliminés. La courbe devient plus étroite et plus haute. Exemple : un poids de naissance humain autour de 3–3,5 kg offre la meilleure survie.
- Directionnelle : un extrême est favorisé ; le sommet se déplace. Exemple : les papillons foncés près des usines, la résistance aux antibiotiques.
- Disruptive : les deux extrêmes sont favorisés, le milieu est éliminé ; deux sommets apparaissent. Exemple : des oiseaux à très petit ou très gros bec sur des îles où il n'y a que de petites graines ou des graines dures.
Flux de gènes et dérive génétique
Flux de gènes (migration) : des individus se déplacent d'une population à l'autre et apportent leurs allèles. Cela rend les populations plus semblables.
Dérive génétique : changement aléatoire de la fréquence d'un allèle, dû au hasard, plus fort dans les petites populations. Elle ne dépend pas de l'utilité de l'allèle.
- Effet fondateur : quelques individus fondent une nouvelle population (par exemple sur une île) ; leurs allèles, par hasard, deviennent fréquents.
- Effet de goulot d'étranglement : une catastrophe tue la plus grande partie d'une population ; les survivants portent un petit ensemble d'allèles, choisi au hasard (par exemple les guépards ont une diversité très faible).
Loi de Hardy–Weinberg
Dans une grande population où les couples se forment au hasard, et sans mutation, flux de gènes, dérive ni sélection, les fréquences des allèles et des génotypes restent les mêmes d'une génération à l'autre. C'est l'équilibre génétique.
Si l'allèle A a la fréquence p et l'allèle a la fréquence q :
- p + q = 1
- (p + q)² = p² + 2pq + q² = 1, avec p² = AA, 2pq = Aa, q² = aa.
Comment résoudre un exercice
- Trouve q² à partir de la fraction d'individus récessifs (aa).
- q = √q². Puis p = 1 − q.
- Porteurs (Aa) = 2pq. Homozygotes dominants (AA) = p².
Si les nombres observés diffèrent de ces prévisions, la population évolue : l'un des cinq facteurs agit.
Radiation adaptative
Quand un groupe d'ancêtres se répand dans de nombreux milieux différents et donne naissance à de nombreuses espèces, chacune adaptée à son lieu de vie, on parle de radiation adaptative (un type d'évolution divergente).
- Pinsons de Darwin (Galápagos) : à partir d'ancêtres mangeurs de graines sont apparus des pinsons mangeurs d'insectes et même végétariens, avec des becs de formes différentes.
- Marsupiaux d'Australie : d'un seul ancêtre sont venus le kangourou, le koala, le wombat, la taupe marsupiale, le loup de Tasmanie, le phalanger volant et bien d'autres.
- Quand deux radiations séparées produisent des formes qui se ressemblent sur des continents différents (loup placentaire et loup de Tasmanie, écureuil volant et phalanger volant), cela montre l'évolution convergente.
Une brève histoire de la vie
Poissons sans mâchoires (il y a environ 350 millions d'années) → poissons à nageoires charnues comme le cœlacanthe → amphibiens → reptiles (il y a environ 200 millions d'années, dinosaures) → oiseaux et mammifères. Les plantes sont passées de l'eau à la terre : algues → fougères → gymnospermes → angiospermes.
Évolution de l'homme
| Forme | Époque (il y a … ans) | Cerveau (cm³) | Caractéristique principale |
|---|---|---|---|
| Dryopithecus, Ramapithecus | ~15 millions | — | poilus, marchaient comme les singes ; Ramapithecus plus proche de l'homme |
| Australopithecus | ~2 millions | ~450 | savanes d'Afrique de l'Est, armes en pierre, mangeait des fruits |
| Homo habilis | ~2 millions | 650–800 | premier être semblable à l'homme, ne mangeait probablement pas de viande |
| Homo erectus | ~1,5 million | ~900 | mangeait de la viande |
| Homme de Neandertal | 100 000–40 000 | ~1400 | enterrait ses morts, vivait au Proche-Orient et en Asie centrale |
| Homo sapiens | 75 000–10 000 | ~1450 | apparu en Afrique, s'est répandu sur tous les continents, art des grottes il y a ~18 000 ans, agriculture il y a ~10 000 ans |
Les humains ne descendent pas des chimpanzés actuels ; les deux ont un ancêtre commun. Les grandes tendances : cerveau plus gros, marche debout, mâchoires et dents plus petites, outils, langage et culture.
Formules et définitions clés
- p + q = 1
- p² + 2pq + q² = 1 (AA + Aa + aa)
- q = √(fraction of recessive aa individuals)
- Carrier (Aa) frequency = 2pq
- Allele frequency of A = (2 × AA + Aa) ÷ (2 × total individuals)
Exemples résolus
1. Dans une population, p = 0.7. Trouve q, puis les fractions de AA, Aa et aa.
Étape 1 : q = 1 − 0.7 = 0.3. Étape 2 : AA = p² = 0.49. Étape 3 : Aa = 2pq = 2 × 0.7 × 0.3 = 0.42. Étape 4 : aa = q² = 0.09. Vérification : 0.49 + 0.42 + 0.09 = 1.
2. Dans un groupe de 1000 personnes, 90 ne savent pas rouler la langue (récessif, aa). Trouve q et p.
Étape 1 : q² = 90/1000 = 0.09. Étape 2 : q = √0.09 = 0.3. Étape 3 : p = 1 − 0.3 = 0.7.
3. Avec l'exemple précédent, combien des 1000 personnes sont porteuses (Aa) ?
Étape 1 : 2pq = 2 × 0.7 × 0.3 = 0.42. Étape 2 : 0.42 × 1000 = 420 porteurs.
4. Une population compte 360 AA, 480 Aa et 160 aa. Trouve la fréquence de l'allèle A.
Étape 1 : nombre total d'allèles = 2 × 1000 = 2000. Étape 2 : allèles A = 2 × 360 + 480 = 1200. Étape 3 : p = 1200/2000 = 0.6, donc q = 0.4.
5. La population 360 AA : 480 Aa : 160 aa est-elle en équilibre de Hardy–Weinberg ?
Étape 1 : avec p = 0.6 et q = 0.4, on attend AA = 0.36, Aa = 0.48, aa = 0.16. Étape 2 : les valeurs observées 0.36, 0.48, 0.16 sont identiques. Réponse : oui, elle est en équilibre.
6. Une maladie récessive touche 1 bébé sur 10,000. Quelle fraction des gens sont porteurs ?
Étape 1 : q² = 1/10000, donc q = 0.01. Étape 2 : p = 0.99. Étape 3 : 2pq = 2 × 0.99 × 0.01 = 0.0198 ≈ 2 %, soit environ 1 personne sur 50.
7. Une population compte 16 % de aa. L'année suivante, elle en compte 9 %, sans migration. Qu'est-ce que cela montre ?
Étape 1 : q est passé de √0.16 = 0.4 à √0.09 = 0.3. Étape 2 : la fréquence des allèles a changé, donc la population n'est pas en équilibre. Étape 3 : quelque chose comme une sélection contre aa (ou la dérive si la population est petite) agit : la population évolue.
Erreurs fréquentes
- Croire que « la survie du plus apte » veut dire que le plus fort survit. La fitness, c'est laisser plus de descendants, pas la force.
- Prendre la racine carrée de la fraction dominante pour obtenir p. Pars toujours de la fraction récessive aa : q = √q².
- Penser que les humains descendent des chimpanzés. Ils ont un ancêtre commun.
- Confondre organes homologues et analogues. Même structure, fonction différente = homologues (divergents) ; structure différente, même fonction = analogues (convergents).