Exercices De la diversification des êtres vivants à l’évolution de la biodiversité

Citez au moins 3 conditions d’application de la loi de Hardy-Weinberg.

Donnez des exemples de comportements culturels dans le monde animal.

Les îles sont des lieux particuliers pour la biodiversité. L’isolement géographique en fait des lieux uniques pour l’étude de la génétique des populations. La colonisation de ces milieux se fait par l’arrivée de petits groupes d’individus. Ces populations continentales sont ensuite coupées du reste du monde, évoluant ainsi de manière indépendante. Par exemple, les populations de reptiles ou d’oiseaux sont souvent endémiques, c’est-à-dire qu’on retrouve ces espèces uniquement dans ces îles ; il y a donc un fort potentiel de spéciation dans ces milieux-là. Cependant, sur ces îles, la diversité génétique des populations est assez faible par rapport à celle d’espèces proches présentes sur les continents.

À partir de vos connaissances, expliquez pourquoi les îles sont des lieux de spéciations importants, et pourquoi la diversité génétique y est faible.

Au Japon, sur l’île de Koshima, des chercheurs ont étudié le comportement de plusieurs macaques. Ces derniers triaient les grains de blé et de sable à la main, jusqu’à ce qu’un jeune macaque jette l’ensemble à l’eau pour ne reprendre que les grains de blé qui flottaient à la surface de l’eau.

À votre avis, ce comportement peut-il se propager au sein d’une population de macaques ? Pourquoi ?

Les pinsons de Darwin ou pinsons des Galápagos forment un groupe d’oiseaux qui mesurent tous entre 10 et 20 cm et qui ont de nombreuses similitudes.
Lors de son voyage sur l’archipel des Galápagos, Charles Darwin classe pourtant les pinsons capturés comme appartenant à 13 espèces.

Comment savoir s’il s’agit d’espèces différentes ?

• Le lichen est une association entre une algue et un champignon observable sur le tronc des arbres.
• Le ténia est un vers qui vit dans l’intestin grêle de l’être humain.

Définissez les notions de symbiose et de parasitisme et associez un des exemples cités à chacune de ces notions.

Il est extrêmement fréquent de retrouver des algues sur les carapaces de certains crabes. Ils les recueillent et les déposent sur leur carapace.
Pour certains, il s’agit d’avoir une couleur et une apparence qui les dissimulent dans l’environnement. Ils sont capables de modifier ces éléments en fonction du milieu. Pour d’autres, comme le Libinia dubia, la sélection de l’algue est plus spécifique. En effet, cette espèce sélectionne une algue particulière : la Dictyota menstrualis. Cette algue a la particularité de produire des substances chimiques toxiques comme le dictyol E. Cette molécule a deux effets principaux :

• dissuader les poissons de l’ingérer ;
• et stimuler le crabe pour qu’il ajoute des algues sur sa carapace.

En quoi cette association est un phénotype étendu du crabe ? Quel en est le bénéfice pour le crabe ?

Introduction de l’activité :

Les individus d’une espèce sont sans cesse en interaction avec d’autres espèces. Ces interactions interspécifiques peuvent être des relations de prédation, de parasitisme, ou encore de coopération. Dans le cadre de ces relations de coopération, certaines sont bénéfiques aux deux espèces et s’inscrivent dans un temps long, intergénérationnel. Elles peuvent également modifier les caractéristiques des espèces impliquées.

Document 1 : L’élysie, un étrange mollusque vert

L’élysie est une limace de mer dont certaines espèces possèdent des chloroplastes et sont capables de réaliser la photosynthèse. Les chloroplastes ne sont pas produits par cette limace mais par des algues chlorophylliennes : la Vaucheria. L’élysie est capable de digérer ces algues et d’en récupérer les chloroplastes. Cette étape se déroule avant le passage à l’âge adulte, et une fois ce stade atteint, les limaces n’ont plus besoin de se nourrir de Vaucheria pour maintenir les chloroplastes dans leur organisme. Ces chloroplastes se situent alors dans des cellules spécialisées du tube digestif, c’est une endosymbiose entre l’élysie et les chloroplastes. En présence de lumière, la photosynthèse se déroule dans les chloroplastes de l’élysie apportant ainsi une source de sucre à la limace.

Document 2 : Le renouvellement des chloroplastes

Lors de la photosynthèse, les chloroplastes dégradent des protéines. Ces dernières doivent se renouveler afin de continuer à fonctionner normalement.
Parmi ces protéines, nous retrouvons la protéine PsbO. Le gène codant pour cette protéine se trouve dans l’ADN de tous les organismes photosynthétiques, mais est normalement absent du règne animal. Cependant, nous retrouvons ce gène dans le génome nucléaire de l’élysie, aussi bien au stade adulte qu’au stade larvaire ; c’est-à-dire avant ingestion de Vaucheria.

🧪 Démarche expérimentale : Comparaison simple de séquences d'ADN 📝

Fiche technique logiciel :
Utilisation du logiciel Anagène 2

Protocole :

• Ouvrir le logiciel Anagène.
• Ouvrir le fichier Psbo.edi.
• Sélectionner les séquences pertinentes à comparer.
• Réaliser une comparaison simple.
• Afficher les informations de la comparaison.

Résultats :
Comparaison simple de séquences d’ADN

• PsbO Vaucheria litorea.adn :
• séquence d’ADN
• longueur : 963 bases $\rightarrow$ référence pour la comparaison
• le signe « – » représente les identités
• PsbO Elysia-Adulte.adn
• séquence d’ADN
• longueur : 963 bases $\rightarrow$ 0 bases différentes de la séquence de référence PsbO Vaucheria litorea.adn, soit 100,0 % d'identité et 0,0 % de différence
• le signe « – » représente les identités
• PsbO Elysia-Oeuf.adn
• séquence d’ADN
• longueur : 963 bases $\rightarrow$ 0 bases différentes de la séquence de référence PsbO Vaucheria litorea.adn, soit 100,0 % d'identité et 0,0 % de différence
• le signe « – » représente les identités

À partir de l’exploitation des documents 1 et 2 et des séquences nucléotidiques, expliquez comment les chloroplastes sont maintenus fonctionnels durant toute la vie de l’élysie.

Introduction de l’activité :

Les transferts horizontaux ont un impact majeur sur l’évolution des espèces, apportant de nouvelles caractéristiques aux individus. C’est notamment le cas des bactéries qui peuvent échanger du matériel génétique et se reproduire rapidement, ce qui permet d’acquérir cette résistance pour les bactéries qui ne l’avaient pas. La compréhension des mécanismes de transferts a également permis de détourner ces processus pour la production humaine. Cependant, ces méthodes ne sont pas sans risques pour la biodiversité et la santé humaine.

Document 1 : Transfert horizontal et production du maïs Bt

a. La culture du maïs et les ravageurs

La culture de maïs représente, en France, 9 % de la surface agricole utile, c’est donc l’une des cultures les plus répandues chez nous. La stabilité des récoltes est un enjeu majeur pour les agriculteurs. Il existe plusieurs facteurs responsables de pertes de récoltes dont la sécheresse, les maladies et la présence de la Pyrale du maïs (Ostrinia nubilalis). Cette dernière est nuisible au stade larvaire, puisqu’elle va se développer sur les épis de maïs en formation et se nourrir des grains, rendant l’épi non commercialisable et causant ainsi des pertes chez l’agriculteur.

b. La production d’une toxine de défense par le maïs

Des chercheurs ont découvert que certaines bactéries du sol (Bacillus thurigensis) sont capables de produire une protéine toxique pour les insectes (Cry1Ab). Ils ont réussi à isoler le gène responsable de la production de la protéine et à l’insérer dans un plasmide de la bactérie Agrobacterium tumefaciens.
Cette bactérie est capable d’infecter des cellules végétales et de leur transmettre son plasmide. Ce transfert de plasmide permet l’insertion des gènes du plasmide dans le génome de la cellule infectée.
Le transfert du gène produisant la toxine est donc réalisé sur des cellules souches de maïs. Le maïs ainsi produit est un organisme génétiquement modifié (OGM) capable de produire une toxine pour lutter contre la Pyrale du maïs. Ces organismes sont des maïs Bt.

Document 2 : Les conséquences de l’utilisation du maïs Bt

Le maïs Bt contient une forte concentration en toxine dans ses parties vertes mais aussi dans ses déchets. Ainsi, il a été montré que d’autres espèces de papillons ont également été affectées par l’utilisation de ce maïs.
En effet, le papillon monarque se développe en partie sur le maïs et les chercheurs ont observé une mortalité plus forte et une modification de leur cycle de vie en présence de maïs Bt.
De plus, l’étude des eaux à proximité des champs de maïs Bt possède des concentrations plus élevées de toxine, ayant notamment des conséquences sur la grande phrygane (insecte). Étant sensible à cette toxine, sa population décroît. La grande phrygane est une espèce très importante dans les réseaux trophiques des rivières, et cette diminution entraîne donc une déstabilisation de cet écosystème.
Enfin, des chercheurs ont observé une augmentation de la proportion de pyrale du maïs résistantes à la toxine du maïs Bt. Ces mêmes chercheurs proposent d’autres solutions pour lutter contre la pyrale du maïs sans utiliser de maïs OGM ou d’insecticides. Il est notamment conseillé de ne pas réaliser de monoculture et d’effectuer des rotations de cultures afin de limiter la présence de l’insecte, mais également limiter les risques financiers liés à l’exploitation d’une seule espèce végétale.

Document 3 : La transduction et la production industrielle

En 2019, près de 4 millions de personnes diabétiques ont été recensées en France. Le diabète est une maladie liée à l’incapacité du corps à produire de l’insuline. L’une des thérapies possibles est l’injection d’insuline pour réguler le taux de glucose dans le sang. L’administration fréquente d’insuline, dans le cas de cette thérapie, en nécessite une forte production. La production d’insuline est réalisée par des méthodes de génie génétique, s’appuyant sur les transferts horizontaux des gènes. La production mondiale est réalisée par des bactéries qui ont été génétiquement modifiées (OGM) capables de produire de l’insuline humaine.
L’insuline produite est ensuite récupérée, puis mise en flacon pour être administrée aux patients diabétiques.

Document 4 : Le phénomène d’antibiorésistance

Le moyen de lutte le plus efficace contre les infections bactériennes sont les antibiotiques. Ces molécules sont capables de tuer la plupart des bactéries. Cependant, certaines d’entre elles possèdent des mécanismes de résistance, qui sont de plusieurs natures :

• la dégradation ou l’altération de l’antibiotique ;
• la pompe membranaire qui permet d’éjecter l’antibiotique.

Ces mécanismes de résistance sont toujours liés à des innovations génétiques et sont souvent coûteux pour la bactérie n’ayant pas d’antibiotique. Cela explique que la plupart des bactéries ne sont pas résistantes.
Lors de la prise d’antibiotiques, les bactéries résistantes survivent et peuvent se multiplier, transmettant ainsi la résistance à leur descendance. Ce mécanisme peut également être amplifié par la présence d’un gène résistant aux antibiotiques sur des plasmides.
La prise abondante et fréquente d’antibiotiques dans les élevages ou dans le milieu médical entraîne donc une hausse de l’antibiorésistance et diminue l’efficacité des traitements à base d’antibiotiques.

Document 5 : Maladie nosocomiale et antibiorésistance

Les maladies nosocomiales sont les maladies attrapées lors d’un séjour à l’hôpital. La plupart de ces maladies sont causées par une bactérie : Acinetobacter baumannii. Cette bactérie est de plus en plus problématique car des souches résistances à plusieurs antibiotiques prolifèrent. Pour comprendre un peu mieux les mécanismes liés à cette prolifération de souches résistances, des chercheurs ont réalisés 3 expériences en 2017.
Expérience 1 : une souche d’E. coli résistante à la kanamycine a été cultivée seule.
Expérience 2 : une souche d’Acinetobacter baumannii résistante à la tétracycline est cultivée seule.
Expérience 3 : les deux souches précédentes sont cultivées ensembles.

Expliquez en quoi le détournement des transferts horizontaux par l’industrie est un avantage pour les sociétés humaines.

Introduction de l’activité :

Les travaux de Mendel ont permis de mettre en évidence que la transmission des caractères héréditaires se fait par l’intermédiaire des gènes.
Les scientifiques se sont alors questionnés sur la théorie de l’évolution, proposée par Charles Darwin, et notamment sur l’évolution de la fréquence des allèles au sein de la population.

Document 1 : La loi d’Hardy-Weinberg

G.H. Hardy, mathématicien britannique, et W. Weinberg, médecin allemand, ont étudié séparément la transmission des génotypes d’une génération à l’autre et sont parvenus à la même conclusion de manière indépendante.

Leurs conclusions sont résumées par la loi d’Hardy-Weinberg, ou équilibre d’Hardy-Weinberg, que voici :

Si nous considérons deux allèles, $\text{A}_1$ et $\text{A}_2$, de fréquence respective, $\text{p}$ et $\text{q}$, alors la fréquence génotypique des individus à la génération suivante sera la suivante :
$\text{A}_1//\text{A}_1 = \text{p}^2$
$\text{A}_2//\text{A}_2 = \text{q}^2$
$\text{A}_1//\text{A}_2 = 2\text{pq}$

Cette loi est un modèle théorique qui s’applique difficilement dans la nature compte tenu des conditions particulières d’application.

Dans une population naturelle, nous pouvons observer des modifications des fréquences alléliques entre les générations, cela signifie qu’au moins l’une des conditions nécessaires à l’application de la loi d’Hardy-Weinberg n’est pas respectée.

Document 2 : Le geai à gorge blanche

Le geai à gorge blanche est un sujet d’étude pour la fréquence allélique. Des chercheurs américains ont alors étudié l’évolution des fréquences alléliques de cet oiseau, et se sont intéressés à deux allèles : $\text{a}_1$ et $\text{b}_1$. Ces allèles n’étaient pas majoritaires dans les populations étudiées, mais ils l’étaient dans des populations de geai à gorge blanche alentour.

Le graphique ci-dessous présente l’évolution des allèles dans les populations étudiées au cours du temps. La courbe bleue représente l’allèle $\text{a}_1$ et la courbe noire l’allèle $\text{b}_1$.

Astuce

La fréquence allélique est le taux de présence d’un allèle dans une population. Nous pouvons la donner en pourcentage ou en nombre ; compris entre 0 et 1.
La fréquence génotypique est le taux de présence d’un génotype dans une population. Nous pouvons la donner en pourcentage ou en nombre ; compris entre 0 et 1.

Méthode de calcul des fréquences allélique et génotypique

1. La fréquence génotypique
Pour calculer la fréquence d’un génotype dans une population, il faut :

• compter le nombre d’individus avec le génotype étudié (effectif du génotype) ;
• compter le nombre d’individus dans la population (effectif total) ;
• calculer la fréquence génotypique :

Fréquence génotypique = effectif du génotype / effectif total

2. La fréquence allélique

Attention, pour ce calcul il ne faut pas oublier que chez les espèces diploïdes, chaque individu possède deux allèles d’un même gène. Si ses allèles sont les mêmes, nous parlons d’homozygote, si ses allèles sont différents, nous parlons d’hétérozygote.
Pour calculer la fréquence allélique dans une population, il faut :

• compter le nombre d’individus homozygotes pour l’allèle étudier et le multiplier par 2 (chaque individu possède 2 fois l’allèle étudié) ;
• compter le nombre d’individus hétérozygotes portant l’allèle étudier ;
• compter le nombre d’individus dans la population et le multiplier par 2 (chaque individu possède 2 allèles) ;
• calculer la fréquence allélique :

Fréquence allélique = (effectif homozygote × 2) + effectif hétérozygote / effectif total × 2

Document 3 : Modélisation de l’évolution des fréquences alléliques dans une population

La modélisation permet de simuler l’évolution d’une population théorique en fixant soit même les règles de déplacement et de reproduction des individus de la population.
Dans ce modèle, nous avons représenté une population d’individus pour laquelle nous étudions un gène existant sous la forme de deux allèles $\text{A}_1$ et $\text{A}_2$. Il existe des individus homozygotes $\text{A}_1//\text{A}_1$ et $\text{A}_2//\text{A}_2$ et des individus hétérozygotes $\text{A}_1//\text{A}_2$.
Les individus peuvent se déplacer librement et les règles de reproduction sont aléatoires. Chaque individu possède la même espérance de vie et la taille de population est considérée comme infinie.

Expliquez quelles sont les limites à l’utilisation du modèle d’Hardy-Weinberg dans une population naturelle.

Introduction de l’activité :

La théorie de la sélection naturelle a été formulée par Charles Darwin au XIX^e siècle, au retour d’un tour du monde à bord de son bateau, le Beagle. Cette théorie indique que la fertilité et la viabilité des individus dépendent de leur phénotype et de l’environnement dans lequel ils se développent.
Ce concept va donc à l’encontre des conditions initiales de la loi d’Hardy-Weinberg et doit donc modifier les fréquences alléliques.

Document 1 : L’étude des pinsons des Galapagos, une histoire liée à la théorie de la sélection naturelle

Lors de son expédition naturaliste autour du monde, Charles Darwin a pu étudier, sur les îles Galapagos, une grande diversité de pinsons. Les pinsons du genre Geospiza présents sur l’archipel des Galapagos ont des régimes variés : granivores ou frugivores.
Darwin a pu observer qu’il existait une grande variété de formes et tailles de bec chez ces espèces. Selon lui, ces tailles et formes sont liées à leur régime alimentaire. Les pinsons à bec large sont plutôt granivores, alors que les pinsons à bec fin sont plutôt frugivores. Chez les pinsons à bec large, plus le bec est grand, plus les pinsons peuvent se nourrir de grosses graines.
Alors son hypothèse, sur l’évolution des espèces et la sélection naturelle, stipule que les caractères favorisant la reproduction ou la survie des individus sont surreprésentés dans les générations suivantes.

Cette théorie a été depuis vérifiée par les époux Grant. Ces chercheurs américains sont retournés sur les îles Galapagos pour étudier les variations du bec chez les Geospiza fortis, en particulier lors d’un épisode de sécheresse intervenu en 1977.
Ces pinsons sont exclusivement granivores et leur survie dépend de leur capacité à se nourrir de graines. Durant cette sécheresse, la quantité de graines disponible a fortement baissé et les chercheurs ont observé une augmentation de la taille des becs des Geospiza fortis de 3 à 4 % en 2 générations.

Plus récemment, il a été montré que la taille du bec chez les pinsons est liée au gène HGMA2. Les fréquences des allèles de ce gène, dans les populations de pinsons, sont directement influencées par les périodes de sécheresse sur les îles Galapagos.

À partir du document 1 et de vos connaissances, expliquez pourquoi la taille moyenne du bec des Geospiza fortis a augmenté à la suite de la sécheresse.

Introduction de l’activité :

L’une des conditions d’application de l’équilibre de Hardy-Weinberg est l’isolement complet des populations. Cependant, dans les populations naturelles, ce critère n’est que trop peu respecté. En effet, les individus sont libres de leurs mouvements et nombre d’entre eux sortent ou entrent dans les populations étudiées. On parle alors de migration.
De plus, les contraintes physiques du milieu ou celles liées au mode de vie des individus peuvent limiter la taille d’une population et ainsi contrevenir au concept de population infinie de Hardy-Weinberg.

Document 1 : Les migrations et l’effet fondateur

Les polynésiens font parties des premiers navigateurs de l’Histoire. Ils ont colonisé les premières îles du Pacifique aux alentours du II^e siècle, jusqu’à atteindre la Nouvelle-Zélande aux alentours de 1100.
Ces peuples sont principalement des peuples pêcheurs issus de populations du sud-est de l’Asie. On remarque qu’il existe des similitudes génétiques dans toutes ces populations.

Avec le mode de vie actuel et la sédentarisation, il a été soulevé que les populations polynésiennes sont particulièrement sujettes à l’obésité. Cette particularité est due à la génétique et à la capacité des explorateurs à traverser de longues périodes de restriction alimentaire. En effet, les individus qui ont pu s’installer sur les îles, à la suite des longs trajets en bateau, sont ceux qui étaient capables de stocker efficacement les graisses. Ils possédaient donc des gènes de prédisposition à l’obésité. Les descendants de ces individus ont hérité de ces attributs génétiques et sont donc plus sensibles à l’obésité.
On parle ici d’effet fondateur : les propriétés génétiques d’une population sont issues des individus qui ont fondé la population.

Document 2 : La population d’ours bruns pyrénéens face aux enjeux de la réintroduction

Pour faire face à la disparition des ours bruns dans les Pyrénées, un programme de réintroduction a débuté à la fin des années 1990. Des ours en provenance de Slovénie ont été relâchés afin de pérenniser la population française.
Cette réintroduction a eu des effets bénéfiques puisque l’on a atteint 70 individus en 2021.
Cependant, les scientifiques qui suivent cette population sont pessimistes quant à la survie de l’espèce… En effet, on constate que 90 % des individus ont un ascendant unique : Pyros, ours slovène introduit en 1997. Bien que cet individu soit décédé en 2017, le mal est déjà fait. S’étant reproduit avec ses propres descendants, le taux de consanguinité est passé de 0,063 à 0,132. La population est donc très homogène génétiquement et il existe un réel risque d’infertilité ou de fragilité face à des épidémies.
La situation n’est pas encore critique en France mais elle nécessite une diversification génétique et donc une réintroduction de nouveaux ours slovènes éloignés génétiquement de Pyros.
Sans nouvelle réintroduction, les experts considèrent que l’ours brun des Pyrénées pourrait s’éteindre d’ici un siècle.

Consanguinité :
La consanguinité est le résultat de la reproduction entre individus proches génétiquement. La consanguinité a pour conséquence l’apparition de maladies génétiques, de fragilités ou de problèmes de fertilité. Elle est particulièrement marquée dans les populations de petite taille, sans flux migratoire.

Document 3 : Migration et spéciation du pouillot verdâtre

Le pouillot verdâtre est une espèce de passereau asiatique peuplant les alentours de l’Himalaya. Il existe plusieurs sous-espèces de pouillot verdâtre qui se différencient par leur plumage, leur chant et leur situation géographique. Les populations sont représentées sur la carte ci-dessous.

Historiquement, le pouillot était présent au sud du plateau du Tibet, puis a migré de part et d’autre de l’Himalaya. Les populations de l’Est et de l’Ouest ont évolué différemment, au point que les sous-espèces viridanus et plumbeitarsus ne sont désormais plus capables de se reproduire, malgré leur présence sur le même territoire. On pourrait donc parler ici de spéciation (l’apparition d’une nouvelle espèce) à la suite de la migration.

🧪 Démarche expérimentale : La dérive génétique chez les éléphants 📝

Il a été observé qu’un nombre important d’éléphants naissent sans défense dans certaines réserves naturelles africaines.
Des scientifiques ont alors démontré l’existence d’un lien fort entre l’absence de défense et la pression de sélection due au braconnage.
Cependant, d’autres scientifiques ont émis l’hypothèse que cette modification génétique des populations pourrait également être liée à la dérive génétique.

Démarche :
Il est proposé ici de tester cette hypothèse à l’aide d’un modèle.

Fiche technique logiciel :
Utilisation du modèle algorithmique

Protocole :

• Ouvrir le modèle sur edu’modèles.
• Se familiariser avec les paramètres du modèle actuel.
• Proposer une stratégie de résolution pour tester l’effet de la dérive génétique sur les populations d’éléphants.
• Exécuter le modèle plusieurs fois avec chaque paramètre en enregistrant la courbe d’effectif à chaque tentative.

Résultats :
Nous savons que la dérive génétique est liée à la taille de population.
Ainsi, pour tester l’effet de la dérive génétique, nous pouvons modifier les effectifs de départ des éléphants, et également modifier les effectifs maximaux de la population.
Il faut également enlever l’agent braconnier pour enlever l’effet de la sélection naturelle.

Avec l’effet de la dérive génétique, nous sommes censés observer la disparition des éléphants à défenses ou sans défense, et ce, de manière aléatoire. Cette disparition doit arriver plus vite avec un effectif plus petit. Avec une population suffisamment grande, nous ne sommes pas censés observer de disparition d’un des deux types d’éléphants.

_{Effectif de départ : 5 – 5
Effectif maximal : 20}

_{Effectif de départ : 5 – 5
Effectif maximal : 10}

_{Effectif de départ : 5 – 5
Effectif maximal : 30}

À partir des documents et de vos connaissances, expliquez comment les migrations peuvent influencer la structure génétique des populations.

Introduction de l’activité :

Les caractéristiques d’un individu sont en grande partie dues à l’expression de ses gènes. Les caractères observables sont issus de l’expression des gènes : c’est le phénotype. Cependant, certains traits de caractère sont le résultat d’interactions plus complexes avec l’environnement et avec d’autres individus : c’est alors de phénotype étendu.

Document 1 : Parade nuptiale de l’oiseau jardinier

Les oiseaux jardiniers sont des oiseaux originaires d’Australie et de Nouvelle-Guinée. Ces oiseaux ont la particularité de construire des nids remarquables à l’aide d’aiguilles, d’objets divers, de fruits, de champignons ou encore de mousse. Les oiseaux jardiniers utilisent la perspective pour rendre leur nid plus grand et plus attrayant pour les femelles. L’utilisation d’éléments colorés et de divers espaces aménagés font partie de la parade nuptiale de ces oiseaux.
Le choix du partenaire par la femelle se fait par la sélection du nid le mieux réussi. L’utilisation de l’environnement pour créer un nid attractif est donc essentiel à cet oiseau pour se reproduire.

Document 2 : La Phrygane et son fourreau

Les phryganes sont des insectes de l’ordre des trichoptères. Ces petits insectes sont proches des papillons et sont surtout connus pour leur stade larvaire.
En effet, la larve de ces insectes est aquatique et vit dans les cours d’eau. Elle a la particularité de tisser un cocon de soie autour de son abdomen en forme de fourreau. Elle y ajoute, sur son cocon, de petits éléments comme des petits bouts de bois, des cailloux ou d’autres matériaux en fonction de l’environnement dans lequel elle se trouve. Ce cocon lui permet de se fondre dans l’environnement et d’éviter les prédateurs que sont les poissons, et en particulier les truites.

Document 3 : La transmission du microbiote et les comportements sociaux

Le microbiote est l’ensemble des bactéries se développant dans le système digestif des individus. Il a été montré que le microbiote joue un rôle majeur dans le développement des individus et leur santé.
$\rightarrow$ Il est transmis à la descendance par la mère, et la qualité du microbiote transmis influence le développement des individus.

Une étude scientifique a été réalisée aux Etats-Unis pour montrer le lien entre le régime alimentaire maternel, le microbiote et le comportement social des descendants. Ces chercheurs ont réalisé trois expériences.
1. La mère a un régime alimentaire normal.
2. La mère a un régime alimentaire trop riche en graisses.
3. La mère a un régime alimentaire trop riche en graisses et la descendance reçoit des bactéries Lactobacillus reuteri.

Les résultats obtenus pour chaque expérience sont les suivants.
1. Le microbiote des descendants est normal, leur développement neuronal est normal et ils ont un comportement social normal.
2. Le microbiote des descendants est en dysbiose, c’est-à-dire que la diversité et l’équilibre du microbiote sont altérés. Les descendants ont un développement neuronal anormal et ont un comportement social diminué.
3. Les descendants après inoculation des bactéries ont un microbiote fonctionnel et leur comportement social est normal.

Document 4 : L’association entre les racines d’une plante et des champignons

Les champignons que l’on mange ne sont que la partie visible de l’iceberg. C’est la partie du champignon qui correspond à l’appareil reproducteur et qui permet de disséminer les spores. Il existe en souterrain, un vaste réseau de mycéliums, soit des microfilaments de champignons qui s’étendent dans le sol et qui sont en interactions avec l’environnement, pour récolter de l’eau et des sels minéraux.
Si vous allez cueillir des champignons, vous remarquerez qu’ils se trouvent en forêt à proximité d’arbres. Ce n’est pas un hasard ! En effet, les mycéliums des champignons sont en interaction étroite avec les racines des arbres. C’est ce que l’on appelle des mycorhizes. Il s’agit là d’une symbiose entre les végétaux et les champignons. La plante apporte aux champignons les sucres issus de la photosynthèse alors que les champignons, grâce à leur réseau mycélien très dense, apportent un supplément d’eau et de sels minéraux à la plante. Nous pouvons donc parler de phénotype étendu à la fois pour la plante et pour le champignon.

🧪 Démarche expérimentale : Coloration et observation microscopique des mycorhizes 📝

Matériel :

• Ciseaux
• Verre de montre
• Eau distillée
• Bleu coton
• Lames
• Lamelles
• Microscope
• Chronomètre

Consignes :
1. Prélever une petite racine.
2. Couper la racine en petits fragments de 1 à 2 centimètres.
3. Rincer la racine à l’eau distillée.
4. Placer la racine dans du bleu coton pendant 10 min.
5. Rincer la racine à l’eau distillée.
6. Monter la racine entre lame et lamelle.
7. Observer au microscope.
8. Photographier votre observation.

Résultats :

Qu’apporte le phénotype étendu aux individus ?
Répondez à cette question à travers un texte argumenté incluant des exemples issus des documents présentés.

Introduction de l’activité :

Le phénotype étendu d’un individu est le résultat de l’expression des gènes d’un individu, mais également de son interaction avec l’environnement et les autres individus. Il résulte de ces interactions, des comportements divers et variés qui ont pour conséquence de modifier la capacité d’un individu à survivre ou à se reproduire. Les comportements d’un individu sont l’ensemble des actions qu’il va réaliser. Ils peuvent être innés, c’est-à-dire d’origine génétique – comme la respiration, le rythme cardiaque – ou alors acquis, c’est-à-dire nécessitant un apprentissage.

Document 1 : L’apprentissage du chant chez les oiseaux

On peut souvent entendre les oiseaux chanter au lever du soleil. Le chant joue plusieurs rôles pour les oiseaux, il est à la fois :

• un comportement territorial car il permet de « marquer » le territoire pour les individus de la même espèce ;
• et un comportement reproducteur car il permet de contacter les partenaires pendant la période de reproduction.

Le chant est souvent caractéristique d’une espèce ou d’une population, c’est-à-dire qu’il sera similaire entre deux individus d’une même espèce.

Des chercheurs ont montré que la mise en place du chant chez l’oiseau possède une composante génétique. Il s’agit en effet d’un comportement inné. Cependant, la mise en place du chant spécifique à l’espèce possède également une part d’apprentissage, comme le montre l’étude de Stéphane Tanzarella. En effet, les jeunes individus apprennent le chant au contact d’individus expérimentés présents dans leur environnement.
Chez certaines espèces d’oiseaux dites « imitatrices », le chant des adultes varie en fonction du milieu dans lequel la population évolue. Eh oui, ces espèces vont intégrer des notes de chant d’autres espèces dans leur propre chant. C’est le cas notamment des étourneaux sansonnets.

Document 2 : Apprentissage de comportements par les parents

Les jeunes bouquetins suivent leur mère durant les 7 premiers mois de leur vie, ils se débrouillent ensuite seul pour passer l’hiver. Cette phase avec la mère est essentielle pour la survie du jeune. En effet, comme pour de nombreuses espèces, le jeune apprend à se nourrir et à trouver toutes les ressources dont il a besoin pour survivre seul. La connaissance de l’environnement est transmise à la descendance pendant cette phase d’apprentissage.

Document 3 : Les chimpanzés et l’utilisation d’outils

Le chimpanzé commun (Pan troglodytes) est un grand singe faisant partie de la famille des hominidés. Il est capable de se servir d’outils, aussi bien pour se nourrir que pour se divertir, mais cette particularité varie en fonction des populations de chimpanzés. La transmission de l’utilisation d’outils se fait dès le plus jeune âge à travers l’observation des parents. Puis, tout au long de leur vie, les chimpanzés peuvent apprendre de nouveaux comportements et utiliser de nouveaux outils, au contact d’autres individus du groupe.

Il a été montré récemment, par des chercheurs de l’institut Max-Planck en Allemagne, que l’utilisation d’outils est en régression chez les chimpanzés. Celle-ci serait liée aux activités humaines et en particulier la chasse et la déforestation. Deux hypothèses ont été formulées pour expliquer cette diminution :

• l’utilisation d’outils serait trop bruyante et attirerait les chasseurs ;
• la dégradation de l’habitat et la diminution des ressources seraient un frein pour les interactions sociales entre les chimpanzés.

Astuce

Lire un sonogramme

Un chant d’oiseau peut s’étudier à l’aide d’un sonogramme. Il s’agit de la retranscription des fréquences émises par l’oiseau lors de son chant.
Un chant d’oiseau s’apparente à une phrase. Chaque phrase peut être composée de plusieurs éléments, appelés notes. Chaque élément peut être composé d’une ou plusieurs syllabes identiques.
L’enchaînement des notes crée une phrase unique et la comparaison de ces phrases permet de déterminer si les individus appartiennent à la même espèce ou à la même population.

🧪 Démarche expérimentale : L’étude du chant des pouillots verdâtres 📝

Les pouillots verdâtres (Phylloscopus trochiloïdes) sont des oiseaux ayant évolué autour du plateau de l’Himalaya. Leur population a connu deux épisodes de migrations, comme nous l’avons étudié au chapitre précédent. Par conséquent, bien qu’étant issus de la même espèce et vivant dans le même milieu au nord de l’Himalaya, les sous espèces Phylloscopus viridanus et Phylloscopus plumbeitarsis ne sont pas capables de se reproduire.
Nous vous proposons ici d’étudier les chants des différentes sous-espèces de pouillot verdâtre afin de mieux comprendre l’incapacité de ces sous-espèces à se reproduire ensemble.

Démarche :
Comparer les sonogrammes des différentes populations à l’aide d’Audacity.

Fiche technique du logiciel :
Utiliser le logiciel Audacity

Résultats :

À partir du document 1, montrez que la mise en place du chant chez l’oiseau est directement liée à l’apprentissage.

Introduction du dossier :

La transmission culturelle dans le monde animal est essentielle dans la mise en place des comportements sociaux et peut entraîner une diversification du vivant, comme la spéciation. La culture est un élément indissociable des populations humaines, chaque groupe possède ses propres éléments culturels, son mode de vie ou encore son propre régime alimentaire. Cette transmission, dans les sociétés humaines, est également une source de diversité très importante.

Document 1 : La digestion du lait par les populations humaines

Le lait frais de vache n’est pas toujours bien digéré dans l’ensemble des populations humaines. Par exemple, les populations asiatiques digèrent très mal le lait alors que les populations du nord de l’Europe le digèrent très bien. Des chercheurs ont mis en évidence que ces problèmes de digestion sont liés à la disparition de la lactase chez les individus à partir de 3 à 5 ans. La lactase est une enzyme capable de digérer le lactose, principal sucre présent dans le lait.

Les chercheurs ont alors déterminé deux phénotypes :

• les individus LP, lactase persistante, capables de produire de la lactase et donc de digérer le lait à l’âge adulte ;
• Les individus LNP, lactase non persistante, incapables de produire de la lactase et donc de digérer le lait à l’âge adulte.

La répartition du phénotype LP n’est pas homogène sur Terre et il est principalement présent en Europe, au Moyen-Orient et en Afrique de l’Ouest.

🧪 Démarche expérimentale : 📝

Démarche :
Comparer l’ARNm de la lactase chez les individus LP et LNP afin de mieux comprendre l’origine de ces deux phénotypes.

Fiche technique logiciel :
Utilisation du logiciel Géniegen

Protocole :
1. Se rendre sur Geniegen 2 (ac-nice.fr)
2. Cliquer sur « ouvrir la banque de séquences ».
3. Taper « lactase » dans la barre de recherche des mots-clés.
4. Afin de comparer les séquences du gène de la lactase chez des  LP ou LNP, choisir le fichier « ARNm lactase LP et LNP ».
5. Charger ces séquences.
6. Aligner les séquences restantes.
7. Identifier alors la ou les éventuelles différences à l’aide du tableau de comparaison.

Résultat :

Document 2 : Comparaison de la lactase chez Homo sapiens

Des chercheurs ont déterminé qu’il existe des différences dans la zone de régulation du gène de la lactase, 13910 nucléotides en amont de la région codante du gène. À cette position, on retrouve deux allèles -13910T et -13910C. Le phénotype LP est associé à l’allèle -13910T alors que le phénotype LNP est associé au phénotype -13910C.

🧪 Démarche expérimentale : 📝

Démarche :
Afin de mieux comprendre l’origine des phénotypes LP et LNP, comparer les séquences de régulation de la lactase chez Homo sapiens et chez le chimpanzé.

Fiche technique logiciel :
Utilisation du logiciel Géniegen

Protocole :
1. Se rendre sur Geniegen 2 (ac-nice.fr)
2. Cliquer sur « ouvrir la banque de séquences ».
3. Taper « lactase » dans la barre de recherche des mots-clés.
4. Afin de comparer les séquences du gène de la lactase chez des individus LP ou LNP, choisir le fichier « AllelesLCTHumainsEtPan.edi ».
5. Charger ces séquences.
6. Aligner les séquences restantes.
7. Identifier alors la ou les éventuelles différences à l’aide du tableau de comparaison.

Résultat :

Expliquez le lien entre le phénotype et le génotype des individus LP, et justifiez votre réponse à l’aide des documents 1 et 2.