Le vivant et son évolution

Chromosomes, ADN, mitose et méiose

Dans le noyau de chaque cellule se trouvent des chromosomes. Chaque chromosome contient une molécule d'ADN très longue et enroulée (deux molécules identiques après la réplication). L'ADN porte l'information génétique, organisée en gènes. L'espèce humaine possède 46 chromosomes, regroupés en 23 paires : on écrit $2n = 46$. Une cellule qui possède des paires de chromosomes est dite diploïde. Le caryotype est la photographie classée de tous les chromosomes d'une cellule.

La mitose : deux cellules identiques

Avant de se diviser, la cellule copie son ADN pendant l'interphase : la quantité d'ADN double. Chaque chromosome possède alors deux chromatides identiques. La mitose sépare ensuite les chromatides. Elle donne deux cellules filles qui ont le même caryotype que la cellule mère. La mitose assure la croissance, le renouvellement et la réparation des tissus, et elle conserve les caractères génétiques de l'individu.

La méiose : des gamètes à $n$ chromosomes

La méiose a lieu dans les organes reproducteurs. Elle produit des gamètes (spermatozoïdes ou ovules) qui n'ont qu'un chromosome de chaque paire : ils sont haploïdes ($n = 23$). Le reste est expliqué ci-dessous.

La fécondation rétablit $2n$

Un spermatozoïde ($n = 23$) fusionne avec un ovule ($n = 23$). La cellule-œuf obtenue possède $23 + 23 = 46$ chromosomes. Le nombre de chromosomes reste donc le même à chaque génération. Comme la méiose répartit les chromosomes de chaque paire au hasard (c'est le brassage), deux gamètes d'une même personne sont différents. Chaque enfant reçoit ainsi une combinaison unique.

Gènes, allèles et transmission des caractères

Un gène est une portion d'ADN qui détermine un caractère. Un même gène existe sous plusieurs versions, les allèles. Chaque individu possède deux allèles de chaque gène, un sur chaque chromosome de la paire. Son génotype est la liste de ces deux allèles, par exemple $M//m$. Son phénotype est le caractère observable, noté entre crochets : $[M]$.

• Homozygote : les deux allèles sont identiques ($M//M$ ou $m//m$).

• Hétérozygote : les deux allèles sont différents ($M//m$).

• Un allèle est dominant s'il s'exprime même en un seul exemplaire. Il s'écrit en majuscule. Un allèle récessif (en minuscule) ne s'exprime que chez un homozygote.

Lire un arbre généalogique

Dans un arbre généalogique, un carré représente un homme et un rond une femme. Une figure pleine représente une personne atteinte.

Prévoir une descendance : l'échiquier de croisement

L'échiquier de croisement recense les gamètes de chaque parent et toutes les rencontres possibles à la fécondation. Pour $M//m \times M//m$ :

Sur 4 cases, 1 seule donne $m//m$ : le risque d'avoir un enfant malade est de $\frac14$, soit 25 %. Ce risque s'applique à chaque grossesse. Le hasard n'a pas de mémoire.

Génotype et environnement

Le phénotype ne dépend pas seulement des gènes : phénotype = génotype + environnement. Un même génotype peut donner des phénotypes différents selon les conditions de vie.

Exemples : le bronzage dépend du soleil, la taille dépend en partie de l'alimentation, la couleur des fleurs d'hortensia dépend de l'acidité du sol.

Comment le démontrer ?

Il faut comparer des individus qui ont le même ADN (des clones, des vrais jumeaux, des boutures) placés dans des conditions différentes. On ne fait varier qu'un seul facteur, les autres restant identiques. Si le phénotype change, la cause est l'environnement.

Mutations et sélection naturelle

Dans une population, les individus sont tous un peu différents, et une partie de ces différences est héréditaire. Elles viennent du brassage des gènes et des mutations. Une mutation est une modification aléatoire de l'ADN, qui crée un nouvel allèle. Elle se produit au hasard : elle n'est pas dirigée par les besoins de l'individu. Si elle touche un gamète, elle se transmet. Pendant la méiose, un échange de morceaux entre chromosomes homologues (le crossing-over) accroît aussi le brassage. Les biotechnologies (OGM, clonage, fabrication de vaccins) utilisent ces connaissances sur l'ADN. Des agents mutagènes (rayons UV, rayons X, tabac) augmentent le risque de mutation. Une mutation peut être neutre (sans effet), nocive ou avantageuse selon le milieu.

La sélection naturelle s'applique ensuite : dans un milieu donné, certains individus survivent mieux ou se reproduisent davantage que les autres. Ils transmettent plus souvent leurs allèles, dont la proportion augmente de génération en génération. C'est le mécanisme de l'évolution proposé par Darwin au XIXe siècle.

Avant lui, le fixisme (défendu par Cuvier) pensait que les espèces ne changent pas. Lamarck, au Muséum national d'histoire naturelle, a proposé le premier que les espèces se transforment (transformisme), mais il pensait que les caractères acquis se transmettent, ce qui est faux. L'être humain, Homo sapiens, est un primate : il appartient au même grand groupe que le chimpanzé.

Biodiversité, espèces invasives et parenté

La biodiversité désigne la diversité des gènes, des espèces et des écosystèmes. Elle évolue : des espèces apparaissent, d'autres disparaissent (c'est l'extinction, qui peut être accélérée par une espèce invasive ou la destruction des habitats). Des événements majeurs (éruptions volcaniques de grande ampleur, compétition entre organismes) ou l'être humain peuvent la modifier.

Une espèce invasive

Une espèce invasive est introduite par l'être humain, volontairement ou non, dans une région où elle n'existait pas. Elle s'y installe, y prolifère et perturbe les espèces locales. C'est le cas du frelon asiatique, arrivé accidentellement en France vers 2004 dans un container de poteries.

Pour analyser un tel cas, on lit les documents dans l'ordre :

1. Une courbe ou un tableau de nids détruits qui augmente indique que l'espèce progresse.

2. Le régime alimentaire montre qui elle mange, donc quelles espèces sont menacées.

3. On relie le tout : la proie principale, ici l'abeille, voit ses effectifs baisser, ce qui perturbe aussi la pollinisation.

La parenté entre espèces

Deux espèces sont proches parentes si elles descendent d'un ancêtre commun récent. On le démontre avec les caractères partagés : plus deux espèces partagent de caractères hérités, plus elles sont apparentées. On le démontre aussi avec les molécules (ADN, protéines) : plus il y a de différences entre deux séquences, plus l'ancêtre commun est ancien.

Retour au début : le nombre de chromosomes est conservé parce que la méiose le divise par deux et que la fécondation le rétablit. Chaque enfant est unique grâce au brassage des chromosomes.

L'essentiel

• L'ADN, porté par les chromosomes, contient les gènes. Chez l'être humain, $2n = 46$ ; un gamète en contient $n = 23$.

• La mitose donne deux cellules identiques. La méiose donne des gamètes à $n$ chromosomes. La fécondation rétablit $2n$.

• Un allèle récessif ne s'exprime que chez un homozygote. Deux parents sains peuvent avoir un enfant malade, avec un risque de $\frac14$ à chaque grossesse si les deux parents sont hétérozygotes.

• Phénotype = génotype + environnement. Pour le montrer, on compare des individus de même ADN placés dans des conditions différentes.

• Les mutations sont aléatoires. La sélection naturelle trie les individus : les mieux adaptés ont plus de descendants.

• Une espèce invasive peut perturber un écosystème. Plus deux espèces partagent de caractères ou de séquences, plus leur parenté est étroite.