Exercices: L'évolution des espèces

Expliquer ce qu'est une espèce selon le critère biologique (croisement donnant une descendance fertile) et donner un exemple de deux animaux apparentés appartenant à des espèces différentes.

Observer le schéma, qui montre trois étapes de l'évolution d'une population divisée par une barrière géographique. Qu'est-ce que la spéciation ? Expliquer, étape par étape, comment l'isolement géographique peut conduire à la formation d'une nouvelle espèce, et indiquer ce que vous vérifieriez chez les deux groupes marqués d'un ? pour savoir s'ils sont déjà des espèces distinctes.

Définir la biodiversité et nommer ses trois niveaux, en donnant un exemple de chacun.

Distinguer population et communauté à l'aide d'un exemple pris au même endroit : tous les moineaux d'un parc et tous les êtres vivants de ce parc. Pourquoi le concept d'espèce s'applique-t-il à des populations et non à des communautés ?

Un cheval et un âne peuvent se croiser et produire un mulet, mais ils appartiennent à des espèces différentes. Expliquer, en appliquant le critère biologique d'espèce, pourquoi le mulet ne « réunit » pas les deux espèces.

Défi du thème. Citer trois exemples de barrières géographiques pouvant diviser une population d'êtres vivants (par exemple, une chaîne de montagnes, un fleuve qui change de cours ou un bras de mer) et expliquer ce que chaque barrière empêche exactement pour les individus des deux côtés.

Seront valorisés le fait de nommer trois barrières géographiques différentes et d'expliquer qu'elles empêchent les individus des deux côtés de se rencontrer et de se croiser entre eux.

Expliquer ce qu'est une radiation adaptative et la décrire avec l'exemple des pinsons des îles Galápagos : à partir d'une espèce ancestrale venue du continent sont apparues plusieurs espèces dotées de becs adaptés à différents aliments.

Expliquer ce qu'est une extinction et dans quel cas on parle d'extinction massive, en citant deux exemples de l'histoire de la Terre (par exemple, celle de la fin du Permien ou celle qui a mis fin aux dinosaures à la fin du Crétacé).

Dans une population de scarabées, certains individus ont une carapace plus claire et d'autres plus sombre, et les prédateurs voient mieux les clairs sur l'écorce sombre des arbres. Expliquer pas à pas comment la sélection naturelle agira sur la fréquence de chaque couleur au cours des générations suivantes.

Distinguer isolement géographique et isolement reproductif, et expliquer pourquoi le second est celui qui indique que deux populations sont déjà des espèces différentes.

De chaque côté du Grand Canyon vivent des espèces d'écureuils très semblables mais distinctes. Expliquer quel type de spéciation illustre cet exemple et reconstituer le processus qui l'a produite.

Certaines mouches pondent leurs œufs sur des pommiers et d'autres, très proches d'elles, sur des aubépines, et chaque groupe se croise presque toujours sur sa plante. Expliquer ce qu'est la spéciation sympatrique et en quoi elle diffère du cas classique de la barrière géographique.

Des drosophiles sont élevées depuis des centaines de générations en laboratoire, isolées des mouches sauvages, et elles ne se croisent presque plus avec elles quand on les met ensemble. Raisonner, en appliquant le critère biologique d'espèce, pour dire si l'on peut affirmer que les mouches du laboratoire sont en passe de devenir une espèce distincte.

Expliquer pourquoi les îles sont considérées comme des « laboratoires naturels de l'évolution » : quel rôle jouent l'isolement, les milieux nouveaux avec peu de concurrents et les radiations adaptatives. Donner un exemple (Galápagos, Canaries ou Madagascar).

Le requin (poisson), le manchot (oiseau) et le dauphin (mammifère) ont un corps hydrodynamique très semblable sans être des parents proches. Expliquer ce qu'est la convergence évolutive, comment des milieux similaires sélectionnent des solutions semblables et pourquoi la ressemblance n'indique pas un lien de parenté.

Citer les principales causes pour lesquelles les activités humaines accélèrent aujourd'hui la perte de biodiversité (destruction des habitats, espèces invasives, surexploitation, pollution et changement climatique) et expliquer brièvement le mode d'action de chacune.

Un patient diagnostiqué avec une infection bactérienne interrompt au bout de 4 jours un traitement antibiotique prescrit pour 10 jours parce qu'il n'a plus de symptômes. Deux semaines plus tard, l'infection réapparaît, plus agressive, et le même antibiotique est inefficace. Un membre de sa famille affirme : « Les bactéries se sont habituées au médicament pour survivre et sont maintenant devenues immunisées ». Réfuter l'affirmation de ce proche en s'appuyant sur la théorie de la sélection naturelle et prévoir, en justifiant, comment auront évolué les fréquences de bactéries sensibles et résistantes dans la population bactérienne entre le début du traitement, le jour 4 et la rechute.

Sur une île océanique récemment formée après une éruption, une tempête apporte un petit radeau de végétation portant 8 scarabées d'une espèce continentale (6 verts et 2 marron). Sur le continent vivent des millions de ces scarabées, dont 95 % sont marron et camouflés et seulement 5 % sont verts, car les oiseaux prédatent facilement les verts. Après plusieurs générations, sur l'île (où il n'existe pas d'oiseaux prédateurs), 75 % des scarabées sont verts. Justifier à quel mécanisme évolutif est due la différence initiale et prévoir comment la dérive génétique influera, par rapport à la sélection naturelle, si la population de l'île reste réduite.

Le taux d'extinction naturel (« de fond ») observé dans les fossiles est estimé à 1 espèce par million d'espèces et par an, alors que le taux actuel dû à l'action humaine est de 100 à 1 000 fois supérieur. Sachant qu'après les grandes extinctions massives du passé (comme celles du Permien ou du Crétacé) la biosphère a mis entre 5 et 10 millions d'années à retrouver sa biodiversité par radiation adaptative, analyser et justifier pourquoi le rythme actuel de destruction des habitats ne peut pas être compensé par l'apparition de nouvelles espèces et quel impact cela aura, à l'échelle géologique, sur l'arbre du vivant.

Dans le lac Victoria coexistent des centaines d'espèces de cichlidés apparues en à peine 15 000 ans grâce à l'exploitation de micro-niches et au fait que les femelles choisissent les mâles d'après des motifs de coloration très vifs, perçus visuellement dans des eaux transparentes. Au cours des dernières décennies, les rejets et la déforestation ont gravement troublé l'eau du lac. Prévoir et justifier les conséquences évolutives immédiates de la perte de visibilité sur les barrières reproductives entre espèces de cichlidés, et raisonner sur ce qu'il adviendra de la diversité génétique et du nombre d'espèces différenciées.

Une illustration classique d'un vieux livre montre l'évolution du cheval comme une file indienne : le petit Hyracotherium (à quatre doigts, brouteur de forêts) marche derrière des formes intermédiaires dont la taille augmente et dont le nombre de doigts diminue régulièrement jusqu'au cheval moderne (Equus, de grande taille, coureur des prairies avec un seul doigt). La légende dit : « L'évolution suit une direction fixe vers des formes plus grandes, plus complexes et plus parfaites ». Réfuter cette affirmation en relevant au moins deux erreurs conceptuelles et justifier pourquoi les paléontologues représentent aujourd'hui la phylogénie du cheval comme un buisson ramifié adapté aux changements climatiques et non comme une échelle progressive.

Un centre de recherche agricole produit une variété de blé clonée (génétiquement identique à 100 %) dont le rendement est supérieur de 40 % à celui de n'importe quelle variété traditionnelle en cas de sécheresse modérée. L'agronome affirme : « Nous avons atteint le phénotype optimal ; éliminer la variabilité génétique de nos champs est la stratégie évolutive la plus sûre à long terme ». Prévoir, en justifiant, ce qui arrivera à cette culture si une nouvelle maladie fongique imprévue apparaît, par comparaison avec une culture traditionnelle diversifiée, et justifier pourquoi, dans des milieux changeants, conserver la variabilité génétique est avantageux pour les populations naturelles plutôt que de s'homogénéiser en un unique type supposé optimal.

Le poisson souterrain Astyanax mexicanus n'a ni yeux fonctionnels ni pigmentation, contrairement aux individus de la même espèce qui vivent dans les rivières éclairées de la surface. Un élève propose deux hypothèses : 1) « En vivant dans l'obscurité, ils ont cessé d'utiliser leurs yeux, ceux-ci se sont atrophiés et leurs descendants ont hérité de cette absence de vision » ; 2) « Perdre des organes ne peut pas être de l'évolution par sélection naturelle, car évoluer consiste toujours à gagner des structures plus complexes ». Réfuter les deux hypothèses : démontrer l'erreur lamarckiste de la première et justifier, en termes de coût métabolique et de bilan énergétique dans un milieu pauvre en nourriture, pourquoi l'atrophie oculaire et pigmentaire a pu constituer un avantage adaptatif.

L'ours polaire (Ursus maritimus) et l'ours brun (Ursus arctos) ont divergé il y a environ 500 000 ans et présentent des adaptations morphologiques et métaboliques très différentes. En raison du recul de la banquise arctique, leurs aires de répartition se chevauchent de plus en plus et des hybrides fertiles ont été observés en liberté (« ours grolar »). Avec ces données : a) Discuter les limites du concept biologique d'espèce appliqué à ce cas. b) Prévoir et justifier les conséquences génétiques à long terme que ce flux de gènes pourrait avoir sur la conservation des adaptations spécifiques de l'ours polaire si la glace continue de disparaître.

Défi du thème. Imaginez que vous travaillez comme biologiste de l'évolution et devez évaluer l'impact potentiel du changement climatique sur la faune de votre région.

1. Recueil des données : Consulter le site officiel de Météo-France (rubrique séries climatiques ou outil de visualisation du changement climatique) et noter l'anomalie ou la variation de la température moyenne annuelle dans votre département au cours des dernières décennies (par exemple, $+1,4$ ºC).

2. Choix du modèle : Choisir une espèce autochtone (comme le moineau domestique ou le lézard des murailles) et rechercher un caractère phénotypique lié à la thermorégulation (par exemple, longueur moyenne du corps de $14,2$ cm ou teinte de la peau/du plumage).

3. Rapport sur l'évolution : Rédiger un court rapport ($1$ page) avec un tableau comparatif où vous expliquerez comment interpréteraient l'adaptation de cette population à cette hausse de température : a) le lamarckisme (besoin, usage/non-usage et hérédité des caractères acquis) et b) la théorie synthétique (mutation aléatoire, variabilité préexistante et sélection naturelle). Conclure par une proposition argumentée sur la façon dont un isolement géographique prolongé entre populations urbaines et rurales pourrait aboutir à une spéciation.

Seront valorisés :

• La précision dans le recueil et l'interprétation de la donnée climatique réelle de Météo-France.

• La distinction rigoureuse et étayée entre les mécanismes de la théorie de Lamarck et ceux de la théorie synthétique.

• La cohérence dans la justification de la sélection naturelle et des étapes de la spéciation.