Théorie scientifique de l'évolution

Variation génétique et taux d'évolution

Plus il y a de variation génétique dans une population, plus grande est la possibilité d'évolution. À mesure que le nombre de loci de gènes qui sont variables augmente et que le nombre d'allèles à chaque locus augmente, la probabilité augmente que certains allèles changent de fréquence au détriment de leurs substituts. Le généticien britannique RA Fisher a démontré mathématiquement une corrélation directe entre la quantité de variation génétique dans une population et le taux de changement évolutif par sélection naturelle. Cette démonstration est incarnée dans son théorème fondamental de la sélection naturelle (1930): "Le taux d'augmentation de la forme physique de tout organisme à tout moment est égal à sa variance génétique de la forme physique à ce moment-là."

Ce théorème a été confirmé expérimentalement. Une étude a utilisé différentes souches de Drosophila serrata, une espèce de mouche du vinaigre de l'est de l'Australie et de la Nouvelle-Guinée. L'évolution des mouches du vinaigre peut être étudiée en les élevant dans des «cages de population» distinctes et en découvrant comment les populations changent au fil des générations. Des populations expérimentales ont été constituées, les mouches vivant et se reproduisant dans leurs microcosmes isolés. Des populations à souche unique ont été établies à partir de mouches collectées en Nouvelle-Guinée ou en Australie; de plus, une population mixte s'est constituée en croisant ces deux souches de mouches. La population mixte avait la plus grande variation génétique initiale, car elle a commencé avec deux populations différentes de souche unique. Pour encourager un changement évolutif rapide, les populations ont été manipulées de telle sorte que les mouches ont connu une concurrence intense pour la nourriture et l'espace. L'adaptation à l'environnement expérimental a été mesurée en comptant périodiquement le nombre d'individus dans les populations.

Deux résultats méritent d'être signalés. Premièrement, la population mixte avait, à la fin de l'expérience, plus de mouches que les populations à souche unique. Deuxièmement, et plus pertinent, le nombre de mouches a augmenté plus rapidement dans la population mixte que dans les populations à souche unique. L'adaptation évolutive à l'environnement s'est produite dans les deux types de population; les deux ont pu maintenir un nombre plus élevé au fil des générations. Mais le taux d'évolution était plus rapide dans le groupe mixte que dans les groupes à souche unique. La plus grande quantité initiale de variation génétique a permis un taux d'évolution plus rapide.

Mesurer la variabilité des gènes

Parce que le potentiel d'évolution d'une population est déterminé par sa variation génétique, les évolutionnistes sont intéressés à découvrir l'étendue de cette variation dans les populations naturelles. Il est évident que les espèces végétales et animales sont hétérogènes de toutes sortes de manières, par exemple dans les couleurs des fleurs et les habitudes de croissance des plantes, ou dans les formes des coquilles et les motifs de bandes des escargots. Les différences sont plus faciles à remarquer chez les humains - dans les traits du visage, la couleur des cheveux et de la peau, la taille et le poids - mais ces différences morphologiques sont présentes dans tous les groupes d'organismes. Un problème lié à la variation morphologique est qu'on ne sait pas combien est dû à des facteurs génétiques et combien peut résulter des influences environnementales.

Les sélectionneurs d'animaux et de plantes sélectionnent pour leurs expériences des individus ou des graines qui excellent dans les attributs souhaités, par exemple dans la teneur en protéines du maïs (maïs) ou dans la production laitière des vaches. La sélection est répétée génération après génération. Si la population change dans la direction privilégiée par l'éleveur, il devient clair que le stock d'origine possédait une variation génétique par rapport au caractère sélectionné.

Les résultats de la sélection artificielle sont impressionnants. La sélection pour une teneur élevée en huile dans le maïs a augmenté la teneur en huile de moins de 5% à plus de 19% en 76 générations, tandis que la sélection pour une faible teneur en huile l'a réduite à moins de 1%. Trente ans de sélection pour l'augmentation de la production d'œufs dans un troupeau de poulets White Leghorn ont augmenté la production annuelle moyenne d'une poule de 125,6 à 249,6 œufs. La sélection artificielle a produit des variétés infinies de races de chiens, de chats et de chevaux. Les plantes cultivées pour la nourriture et les fibres et les animaux élevés pour la nourriture et le transport sont tous des produits d'une sélection artificielle ancienne ou moderne. Depuis la fin du 20e siècle, les scientifiques ont utilisé les techniques de la biologie moléculaire pour modifier ou introduire des gènes pour les caractères souhaités dans une variété d'organismes, y compris les plantes et les animaux domestiques; ce domaine est devenu connu sous le nom de génie génétique ou de technologie de l'ADN recombinant. Des améliorations qui, dans le passé, ont été obtenues après des dizaines de générations par sélection artificielle peuvent désormais être accomplies beaucoup plus efficacement et rapidement (au sein d'une seule génération) par la technologie de génétique moléculaire.

Le succès de la sélection artificielle pour pratiquement tous les caractères et tous les organismes dans lesquels elle a été testée suggère que la variation génétique est omniprésente dans les populations naturelles. Mais les évolutionnistes aiment aller plus loin et obtenir des estimations quantitatives. Ce n'est que depuis les années 1960, avec les progrès de la biologie moléculaire, que les généticiens ont développé des méthodes pour mesurer l'étendue de la variation génétique dans les populations ou entre les espèces d'organismes. Ces méthodes consistent essentiellement à prélever un échantillon de gènes et à découvrir combien sont variables et comment chacun est variable. Un moyen simple de mesurer la variabilité d'un locus génétique est de déterminer quelle proportion des individus d'une population sont hétérozygotes à ce locus. Chez un individu hétérozygote, les deux gènes d'un trait, l'un reçu de la mère et l'autre du père, sont différents. La proportion d'hétérozygotes dans la population est donc la même que la probabilité que deux gènes pris au hasard dans le pool génétique soient différents.

Des techniques de détermination de l'hétérozygotie ont été utilisées pour étudier de nombreuses espèces de plantes et d'animaux. En règle générale, les insectes et autres invertébrés sont plus variés génétiquement que les mammifères et autres vertébrés, et les plantes élevées par croisement croisé (croisement avec des souches relativement indépendantes) présentent plus de variations que celles élevées par autofécondation. Mais l'ampleur de la variation génétique est en tout cas stupéfiante. Prenons comme exemple les humains, dont le niveau de variation est à peu près le même que celui des autres mammifères. La valeur d'hétérozygotie humaine au niveau des protéines est indiquée comme H = 0,067, ce qui signifie qu'un individu est hétérozygote à 6,7 pour cent de ses gènes, car les deux gènes de chaque locus codent pour des protéines légèrement différentes. Le génome humain contient environ 20 000 à 25 000 gènes. Cela signifie qu'une personne est hétérozygote à pas moins de 30 000 × 0,067 = 2 010 loci de gènes. Un hétérozygote individuel à un locus (Aa) peut produire deux types différents de cellules sexuelles, ou gamètes, une avec chaque allèle (A et a); un hétérozygote individuel à deux loci (AaBb) peut produire quatre types de gamètes (AB, Ab, aB et ab); un hétérozygote individuel à n locus peut potentiellement produire 2 ⁿ gamètes différents. Par conséquent, un individu humain typique a le potentiel de produire 2 2 ⁰¹⁰, soit environ 10 ⁶⁰⁵ (1 avec 605 zéros après), différents types de gamètes. Ce nombre est beaucoup plus grand que le nombre estimé d'atomes dans l'univers, environ 10 ⁸⁰.

Il est donc clair que chaque cellule sexuelle produite par un être humain est génétiquement différente de toutes les autres cellules sexuelles et, par conséquent, qu'il n'y a pas deux personnes qui ont existé ou qui existeront jamais qui sont susceptibles d'être génétiquement identiques - à l'exception de identiques jumeaux, qui se développent à partir d'un seul ovule fécondé. La même conclusion s'applique à tous les organismes qui se reproduisent sexuellement; chaque individu représente une configuration génétique unique qui ne sera probablement plus jamais répétée. Cet énorme réservoir de variation génétique dans les populations naturelles offre des possibilités pratiquement illimitées de changement évolutif en réponse aux contraintes environnementales et aux besoins des organismes.

L'origine de la variation génétique: les mutations

La vie est née il y a environ 3,5 milliards d'années sous la forme d'organismes primordiaux qui étaient relativement simples et très petits. Tous les êtres vivants ont évolué à partir de ces humbles débuts. À l'heure actuelle, il existe plus de deux millions d'espèces connues, dont la taille, la forme et le mode de vie sont très divers, ainsi que les séquences d'ADN qui contiennent leurs informations génétiques. Qu'est-ce qui a produit la variation génétique omniprésente au sein des populations naturelles et les différences génétiques entre les espèces? Il doit exister des moyens évolutifs permettant de modifier les séquences d'ADN existantes et d'incorporer de nouvelles séquences dans les pools de gènes des espèces.

Les informations codées dans la séquence nucléotidique de l'ADN sont, en règle générale, fidèlement reproduites pendant la réplication, de sorte que chaque réplication aboutit à deux molécules d'ADN qui sont identiques l'une à l'autre et à la molécule parente. Mais l'hérédité n'est pas un processus parfaitement conservateur; sinon, l'évolution n'aurait pas pu avoir lieu. Parfois, des «erreurs» ou mutations se produisent dans la molécule d'ADN pendant la réplication, de sorte que les cellules filles diffèrent des cellules parentes dans la séquence ou la quantité d'ADN. Une mutation apparaît d'abord dans une seule cellule d'un organisme, mais elle est transmise à toutes les cellules descendantes de la première. Les mutations peuvent être classées en deux catégories: les mutations génétiques ou ponctuelles, qui n'affectent que quelques nucléotides au sein d'un gène, et les mutations chromosomiques, qui modifient le nombre de chromosomes ou modifient le nombre ou la disposition des gènes sur un chromosome.