Spécialité SVT, Première • Exercices corrigés à Montréal

Exercices corrigés : l'histoire humaine lue dans son génome (Première spécialité SVT)

Voici dix exercices corrigés de spécialité SVT sur l'histoire humaine lue dans son génome, au niveau de la classe de Première du programme français, suivi en France comme dans les lycées du réseau AEFE.

Ce que couvre la série, les pièges traités

Ils couvrent la diversité allélique qui identifie un individu et reconstitue des parentés, le premier séquençage du génome humain, la comparaison de séquences, le nombre de générations et le nombre théorique d'ancêtres, les génomes des Néandertaliens et des Dénisoviens, les allèles néandertaliens des humains actuels, et les traces de sélection actuelle ou passée : tolérance au lactose, haute altitude, peste.

À la fin de la série, vous savez établir ou exclure une parenté à partir de marqueurs (exercice 6), assembler des lectures de séquençage (exercice 3), calculer un nombre d'ancêtres et lever le paradoxe par l'implexe (exercice 4), dire ce que prouve un ADN fossile et calculer une part d'ADN néandertalien (exercice 7), et montrer qu'un allèle a été sélectionné (exercices 9 et 10). La partie A mobilise les connaissances, avec un exposé structuré sur la persistance de la lactase (exercice 5) ; la partie B fait raisonner sur des documents, jusqu'au problème des Tibétains (exercice 10). Les pièges traités : une seule bande prise pour un seul allèle (exercice 6), « 2 puissance g » confondu avec « 2 fois g » (exercice 4), les Néandertaliens pris pour nos ancêtres directs (exercices 7 et 8), le milieu qui « provoquerait » la mutation utile (exercices 5, 8 et 10), une hausse de fréquence attribuée à la sélection sans témoin (exercice 9).

Le fil de la série : un génome ne se lit jamais seul. Une parenté, une histoire ou une sélection se déduisent en comparant des génomes entre eux et à un témoin, et ce qu'on lit est une trace qui s'efface avec le temps. On suit pour cela un même laboratoire de paléogénomique, fictif, qui étudie la grotte des Trois-Sources et des populations actuelles. Faites chaque exercice au complet avant d'ouvrir la correction.

  • 10 exercices corrigés
  • Durée : 2 h 30
  • Autocorrigée, 78 réponses
  • Calculatrice
Commencer l'exercice 1 La fiche du chapitre

Rappel de cours

  • • DIVERSITÉ ALLÉLIQUE : deux humains non apparentés ont des séquences identiques à environ 99,9 %99{,}9\ \%, soit quelques millions de différences sur 3,2×1093{,}2\times 10^{9} paires de bases par lot de chromosomes. Comparer de nombreux marqueurs identifie un individu ; un enfant porte, à chaque marqueur, un allèle de chaque parent.
  • • SÉQUENÇAGE : le génome de référence, publié en 2001 puis en 2003, est une mosaïque de quelques donneurs ; il sert de repère pour comparer, pas de norme. On lit de courts fragments, puis un logiciel les assemble par leurs chevauchements.
  • • ANCÊTRES : avec 2525 ans par génération, 1 0001\,000 ans font 4040 générations et 240≈1,1×10122^{40}\approx 1{,}1\times 10^{12} ancêtres théoriques, plus que d'humains vivants à l'époque. L'implexe, les mêmes ancêtres présents plusieurs fois dans l'arbre, lève le paradoxe.
  • • GÉNOMES FOSSILES : l'ADN ancien est fragmenté et contaminé, mais lisible. Néandertaliens et Dénisoviens sont des lignées sœurs d'Homo sapiens ; des croisements hors d'Afrique ont laissé environ 2 %2\ \% d'ADN néandertalien dans le génome des non-Africains.
  • • SÉLECTION : une mutation apparaît au hasard ; dans un milieu où elle avantage ses porteurs, sa fréquence augmente au fil des générations. Exemples : persistance de la lactase chez des éleveurs (actuelle), allèle EPAS1 en altitude (actuelle), gène de l'immunité lors de la peste (passée).
  • • MÉTHODE : je vois, je sais, j'en déduis. On compare toujours à un témoin et on conclut sur le problème posé, pas sur un seul document.

Partie A : mobiliser ses connaissances (/50)

Exercice 1 : QCM : ce que les génomes disent de notre histoire

7 réponses vérifiables

Pour chaque item, une seule proposition est exacte. Choisissez-la. Le corrigé justifie la bonne réponse et dit pourquoi chaque autre proposition est fausse : c'est là que se trouvent les points perdus en devoir.

  • a) Deux êtres humains non apparentés, pris au hasard, ont des séquences d'ADN identiques sur environ :
  • b) La séquence du génome humain publiée en 2001 puis en 2003 est :
  • c) En remontant de gg générations, le nombre THÉORIQUE d'ancêtres d'une personne est :
  • d) Un allèle présent dans le génome néandertalien, présent chez des Européens actuels et absent chez les Africains subsahariens actuels s'explique le plus simplement par :
  • e) L'ADN extrait d'un os néandertalien vieux de 50 000 ans est le plus souvent :
  • f) Dans une population qui vit en haute altitude, un allèle favorable à la vie en altitude devient plus fréquent au fil des générations parce que :
  • g) Les Dénisoviens, une population humaine éteinte d'Asie, sont connus surtout :

Tape tes réponses, la page te dit juste ou faux 0/7

a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
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Réponses

  • a) Environ 99,9 %99{,}9\ \% : à peu près une différence tous les mille nucléotides
  • b) Une mosaïque assemblée à partir de quelques donneurs anonymes
  • c) 2g2^{g}
  • d) Un croisement fécond entre Homo sapiens et des Néandertaliens, hors d'Afrique
  • e) Fragmenté en courts morceaux et mêlé d'ADN de bactéries
  • f) Ses porteurs survivent et ont davantage d'enfants dans ce milieu
  • g) Par leur génome, lu dans quelques fragments d'os et de dents
a)

Deux humains non apparentés diffèrent en moyenne d'environ un nucléotide sur mille : leurs séquences sont identiques à environ 99,9 %99{,}9\ \%.

Sur 3,2×1093{,}2\times 10^{9} paires de bases, 0,1 %0{,}1\ \% représente pourtant environ 3,23{,}2 millions de différences : c'est assez pour distinguer chaque individu.

Piège : 98,8 %98{,}8\ \% est l'identité moyenne entre un humain et un chimpanzé, en ne comptant que les substitutions. Et deux vrais jumeaux, eux, ont des génomes presque identiques.

b)

Le projet Génome humain a séquencé l'ADN de quelques donneurs anonymes et assemblé une séquence MOSAÏQUE, dite de référence.

Elle ne décrit exactement personne et ne sert pas de norme : un allèle différent de la référence n'est pas une anomalie. La séquence comprend tout l'ADN lu, pas seulement les gènes.

c)

Chaque personne a 22 parents, 44 grands-parents, 88 arrière-grands-parents : le nombre double à chaque génération, d'où 2g2^{g}.

Piège : écrire 2g2g. Pour g=10g=10, cela donnerait 2020 ancêtres au lieu de 210=1 0242^{10}=1\,024. Ce nombre est THÉORIQUE : l'exercice 4 montre qu'il dépasse vite la population de l'époque.

d)

Les Néandertaliens vivaient en Europe et en Asie de l'Ouest, pas en Afrique subsaharienne. Un allèle partagé avec des Eurasiens mais absent chez les Africains, qui servent de témoin, s'explique le plus simplement par un croisement après la sortie d'Afrique d'Homo sapiens.

Le croisement a été fécond : l'allèle s'est transmis jusqu'à aujourd'hui. Les Européens ne descendent pas des seuls Néandertaliens : environ 2 %2\ \% de leur génome en vient.

Une même mutation apparue deux fois au même endroit est possible mais très improbable, surtout pour de nombreux allèles à la fois.

e)

Après la mort, l'ADN est coupé et abîmé par les enzymes, l'eau et le temps. Il en reste de courts fragments, souvent quelques dizaines de paires de bases, mêlés à l'ADN des bactéries du sol et des humains qui ont manipulé l'os.

C'est difficile, pas impossible : le premier génome néandertalien a été publié en 2010. Les protéines ne gardent pas la séquence de l'ADN.

f)

La mutation à l'origine de l'allèle est apparue au hasard, avant toute « demande » du milieu. En altitude, ses porteurs survivent mieux et ont plus d'enfants : l'allèle est plus souvent transmis, sa fréquence augmente au fil des générations. C'est la sélection naturelle.

Piège : croire que le milieu provoque la mutation, ou qu'un individu acquiert un allèle au cours de sa vie. Un allèle s'hérite, il ne s'apprend pas. Et la fréquence change en plusieurs générations, pas en une seule.

g)

Les Dénisoviens ont été découverts en 2010 par le génome lu dans une phalange de la grotte de Denisova, en Sibérie. On ne connaît d'eux que quelques os et dents, mais leur génome montre une lignée sœur des Néandertaliens.

C'est le premier groupe humain identifié par son ADN plutôt que par la forme de ses os.

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Exercice 2 : Vocabulaire en situation : une journée au laboratoire de paléogénomique

9 réponses vérifiables

Le laboratoire de paléogénomique (fictif) qui sert de fil à ce devoir étudie les restes humains de la grotte des Trois-Sources, un site fictif d'Europe occidentale, et l'ADN de populations actuelles. Pour chaque situation rencontrée au laboratoire, choisissez le terme scientifique qui la désigne. Un terme de la liste ne sert pas.

  • a) L'ensemble de l'information génétique d'un individu, portée par l'ADN de ses chromosomes : environ 3,2 milliards de paires de bases par lot de chromosomes chez l'être humain.
  • b) Déterminer, nucléotide après nucléotide, l'ordre des bases d'un fragment d'ADN extrait d'une dent.
  • c) Une version d'un gène, qui diffère d'une autre version par un ou quelques nucléotides : celle qui maintient la lactase active chez l'adulte en est une.
  • d) Une courte région d'ADN très variable d'une personne à l'autre, que l'on compare pour reconnaître un individu ou établir une parenté.
  • e) La reproduction entre des Homo sapiens et des Néandertaliens, il y a environ 50 000 ans, dont la trace subsiste dans nos génomes.
  • f) Le mécanisme par lequel un allèle qui augmente le nombre de descendants dans un milieu donné devient plus fréquent au fil des générations.
  • g) La population dont descendent à la fois la lignée néandertalienne et la lignée d'Homo sapiens, il y a plus de 500 000 ans.
  • h) Un magazine titre : « Nous avons tous 2 % de gènes néandertaliens. » Relevez les deux inexactitudes de ce titre et proposez un titre exact.

Tape tes réponses, la page te dit juste ou faux 0/9

a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
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Réponses

  • a) Génome
  • b) Séquençage
  • c) Allèle
  • d) Marqueur génétique
  • e) Hybridation
  • f) Sélection naturelle
  • g) Ancêtre commun (le terme « mutation » ne sert pas)
  • h) Pas « tous » (très peu chez les Africains subsahariens) et pas des « gènes » mais des allèles : « Les non-Africains ont environ 2 % d'ADN néandertalien »
a)

C'est le génome. Chez l'être humain, il compte environ 3,23{,}2 milliards de paires de bases par lot de chromosomes ; une cellule en porte deux lots, l'un venu du père, l'autre de la mère.

b)

C'est le séquençage : lire l'ordre des nucléotides. Le séquençage d'un ADN fossile est le même geste, sur des fragments beaucoup plus courts (exercice 7).

c)

C'est un allèle. Le gène de la lactase existe chez tous les humains ; ce qui varie, c'est sa version, ou celle de la région voisine qui règle son activité.

Piège : dire « le gène du lait » ou « avoir le gène de la tolérance ». Tout le monde a le gène ; seuls certains ont l'allèle qui le garde actif à l'âge adulte.

d)

C'est un marqueur génétique. Il ne sert pas à cause de sa fonction, souvent nulle, mais à cause de sa DIVERSITÉ ALLÉLIQUE : plus il a d'allèles, plus il distingue les personnes (exercice 6).

e)

C'est une hybridation entre deux populations humaines. Elle a été féconde, puisque des allèles néandertaliens ont été transmis jusqu'à nous.

f)

C'est la sélection naturelle. Elle ne crée pas l'allèle, apparu par mutation au hasard ; elle change sa FRÉQUENCE, génération après génération.

g)

C'est un ancêtre commun. Ni Néandertal ni Homo sapiens ne descend de l'autre : les deux lignées partent de cette population plus ancienne.

Le terme « mutation » ne sert pas : une mutation est la modification d'une séquence, à l'origine des allèles, pas l'un des objets décrits ici.

h)

Première inexactitude : « tous ». Les non-Africains ont environ 2 %2\ \% d'ADN néandertalien, les Africains subsahariens très peu, car le croisement a eu lieu hors d'Afrique.

Seconde inexactitude : « gènes ». Les Néandertaliens avaient les mêmes gènes que nous ; nous avons hérité de certains de leurs ALLÈLES, portés par des segments d'ADN.

Titre exact : « Les humains non africains portent environ 2 % d'ADN néandertalien. »

Exercice 3 : Le premier séquençage du génome humain : lire, puis assembler

6 réponses vérifiables

Le projet Génome humain, mené par un consortium public international, a été lancé en 1990. Il a publié une première version en 2001 puis une version dite achevée en 2003, pour un coût d'environ 3 milliards de dollars. L'ADN de quelques donneurs anonymes a été découpé en fragments ; chaque fragment a été lu par la méthode de Sanger, qui lit environ 600 nucléotides d'un seul tenant, une « lecture ». Des logiciels ont ensuite assemblé les lectures en repérant leurs chevauchements. La première séquence sans aucune lacune n'a été publiée qu'en 2022. Aujourd'hui, séquencer un génome humain prend de l'ordre d'une journée et coûte moins de 1 000 dollars.

1977méthode de Sanger1990lancement du projet2001première version2003version dite achevée2010génomes néandertalienet dénisovien2022génome sans lacuneGénome humainannées
Document : quelques dates du séquençage des génomes humains.
  • a) Calculez la durée du projet, de son lancement à la version dite achevée.
  • b) Le génome compte 3,2×1093{,}2\times 10^{9} paires de bases. Pour corriger les erreurs de lecture, chaque région doit être lue en moyenne 8 fois. Calculez le nombre de lectures de 600 nucléotides nécessaires, en millions.
  • c) Calculez le coût moyen d'une paire de bases en 2003, puis le nombre de fois que le coût d'un génome a été divisé entre 2003 et aujourd'hui, en millions.
  • d) Un logiciel reçoit, dans le désordre, quatre lectures d'un même court fragment : R3 = CCGTTAGCA ; R1 = GATTCCAGT ; R4 = TAGCAAT ; R2 = CAGTACCGT. Reconstituez la séquence du fragment à l'aide des chevauchements et donnez sa longueur.
  • e) Expliquez pourquoi la séquence de 2003 est dite « de référence », et pourquoi elle ne décrit exactement le génome d'aucun être humain.

Tape tes réponses, la page te dit juste ou faux 0/6

a)
b)
c)
d)
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Réponses

  • a) 2003−1990=132003-1990=13 ans
  • b) 3,2×109×8600≈4,27×107\dfrac{3{,}2\times 10^{9}\times 8}{600}\approx 4{,}27\times 10^{7}, environ 42,742{,}7 millions de lectures
  • c) Environ 0,940{,}94 dollar par paire de bases ; coût divisé par au moins 3×1063\times 10^{6}, trois millions
  • d) R1, R2, R3, R4 : GATTCCAGTACCGTTAGCAAT, 2121 nucléotides
  • e) Une mosaïque de quelques donneurs, qui sert de repère commun pour comparer ; chaque humain en diffère par environ un nucléotide sur mille
a)

La frise place le lancement en 1990 et la version dite achevée en 2003 :

2003−1990=132003-1990=13 ans.

La version de 2001 n'était qu'une première ébauche, pleine de lacunes ; même celle de 2003 en gardait, comblées seulement en 2022.

b)

On compte d'abord le nombre total de nucléotides à lire, puis on le découpe en lectures :

3,2×109×8=2,56×10103{,}2\times 10^{9}\times 8=2{,}56\times 10^{10} nucléotides lus

2,56×1010600≈4,27×107\dfrac{2{,}56\times 10^{10}}{600}\approx 4{,}27\times 10^{7} lectures, soit environ 42,742{,}7 millions.

Lire chaque région plusieurs fois permet de repérer une erreur : une base lue 77 fois A et 11 fois G est un A.

c)

Coût d'une paire de bases en 2003 :

3×1093,2×109≈0,94\dfrac{3\times 10^{9}}{3{,}2\times 10^{9}}\approx 0{,}94 dollar.

Un génome à moins de 10310^{3} dollars aujourd'hui : le coût a été divisé par au moins 3×109103=3×106\dfrac{3\times 10^{9}}{10^{3}}=3\times 10^{6}, trois millions.

C'est cette chute qui rend possibles les comparaisons de milliers de génomes des exercices suivants.

d)

On cherche, pour chaque lecture, une autre lecture qui commence par sa fin.

R1 finit par CAGT et R2 commence par CAGT ; R2 finit par CCGT et R3 commence par CCGT ; R3 finit par TAGCA et R4 commence par TAGCA. Aucune lecture ne se termine par le début de R1 : R1 ouvre la séquence.

Ordre : R1, R2, R3, R4. On recopie R1, puis seulement la partie nouvelle de chaque lecture : GATTCCAGT + ACCGT + TAGCA + AT.

Séquence : GATTCCAGTACCGTTAGCAAT, soit 9+5+5+2=219+5+5+2=21 nucléotides.

Piège : additionner les longueurs des lectures, 9+9+9+7=349+9+9+7=34. Les bases d'un chevauchement sont communes à deux lectures.

e)

La séquence publiée sert de RÉFÉRENCE : un repère commun sur lequel on aligne n'importe quel génome pour repérer ses différences.

Elle est une mosaïque de l'ADN de quelques donneurs, assemblée région par région : elle ne correspond exactement à aucune personne, et chaque être humain en diffère par environ un nucléotide sur mille.

Elle n'est pas une norme : un allèle différent de la référence n'est ni une erreur ni une maladie.

GATTCCAGTR1CAGTACCGTR2CCGTTAGCAR3TAGCAATR4GATTCCAGTACCGTTAGCAATséquence21 nucléotides reconstitués

Exercice 4 : Combien d'ancêtres ? Le calcul, le paradoxe et l'arbre d'Emma

12 réponses vérifiables

Chacun de nous a deux parents, quatre grands-parents, huit arrière-grands-parents, et ainsi de suite. On prend 25 ans pour la durée d'une génération humaine. Le document montre l'ascendance d'Emma (individu IV-1) sur trois générations : ses parents, III-1 et III-2, sont cousins germains (double trait d'union).

  • a) Calculez le nombre de générations qui nous séparent d'ancêtres ayant vécu il y a 1 000 ans, 10 000 ans et 100 000 ans.
  • b) Justifiez que le nombre théorique d'ancêtres situés gg générations plus haut vaut 2g2^{g}, puis calculez-le pour 1 000 ans, en milliers de milliards.
  • c) Les calculatrices ne savent souvent pas afficher plus de 109910^{99}. À l'aide de l'approximation 210≈1032^{10}\approx 10^{3}, donnez l'ordre de grandeur (la puissance de 10) du nombre théorique d'ancêtres il y a 10 000 ans, puis il y a 100 000 ans.
  • d) Les historiens estiment la population mondiale il y a 1 000 ans à environ 300 millions de personnes. Calculez combien de fois le nombre théorique d'ancêtres la dépasse, et formulez le paradoxe.
  • 123456I1234II12III1IVhommefemmeEmma
    Document : l'ascendance d'Emma. Les individus sont numérotés de gauche à droite dans chaque génération.
  • e) Comptez les ancêtres DISTINCTS d'Emma à la génération I et comparez au nombre théorique. Expliquez en quoi ce phénomène, appelé implexe, résout le paradoxe.
  • f) En moyenne, chaque parent transmet la moitié de son génome. Emma possède deux lots de chromosomes, soit 6,4×1096{,}4\times 10^{9} paires de bases. Calculez la part moyenne de son génome venue d'UN ancêtre situé 10 générations plus haut, en pourcentage puis en millions de paires de bases. Concluez sur les traces que laissent nos ancêtres.

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a)
b)
c)
d)
e)
f)
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Réponses

  • a) 4040, 400400 et 4 0004\,000 générations
  • b) 240≈1,1×10122^{40}\approx 1{,}1\times 10^{12}, environ mille milliards d'ancêtres théoriques
  • c) Environ 1012010^{120} il y a 10 000 ans ; environ 10120010^{1200} il y a 100 000 ans
  • d) 1,1×10123×108≈3 700\dfrac{1{,}1\times 10^{12}}{3\times 10^{8}}\approx 3\,700 fois : plus d'ancêtres que d'humains vivants
  • e) 66 ancêtres distincts au lieu de 88 : un même couple est compté deux fois ; c'est l'implexe
  • f) 1210≈0,098 %\dfrac{1}{2^{10}}\approx 0{,}098\ \%, soit environ 6,256{,}25 millions de paires de bases ; certains ancêtres ne laissent aucune trace
a)

On divise la durée par 2525 ans :

1 00025=40\dfrac{1\,000}{25}=40 ; 10 00025=400\dfrac{10\,000}{25}=400 ; 100 00025=4 000\dfrac{100\,000}{25}=4\,000 générations.

La durée d'une génération varie selon les époques et les familles, de 2020 à 3535 ans environ : ces nombres sont des ordres de grandeur.

b)

Chaque ancêtre a lui-même deux parents : à chaque génération qu'on remonte, le nombre de cases de l'arbre est multiplié par 22. Après gg générations : 2×2×⋯×2=2g2\times 2\times\dots\times 2=2^{g}.

Pour g=40g=40 : 240=1 099 511 627 776≈1,1×10122^{40}=1\,099\,511\,627\,776\approx 1{,}1\times 10^{12}, environ mille milliards.

Piège : écrire 2×40=802\times 40=80 ancêtres. Le nombre double à chaque étape : c'est une puissance.

c)

2400=(210)40≈(103)40=101202^{400}=(2^{10})^{40}\approx (10^{3})^{40}=10^{120}, et 24000=(210)400≈1012002^{4000}=(2^{10})^{400}\approx 10^{1200}.

La valeur exacte est un peu plus grande, car 210=1 0242^{10}=1\,024 et non 1 0001\,000 : 2400≈2,6×101202^{400}\approx 2{,}6\times 10^{120}. L'ordre de grandeur suffit pour conclure.

Ces nombres dépassent de très loin le nombre d'êtres humains qui ont jamais vécu, estimé de l'ordre de 101110^{11}.

d)

On compare à la population de l'époque :

1,1×10123×108≈3 700\dfrac{1{,}1\times 10^{12}}{3\times 10^{8}}\approx 3\,700.

Le paradoxe : il nous faudrait, il y a mille ans, environ 3 7003\,700 fois plus d'ancêtres qu'il n'y avait d'humains sur Terre. Avec 3030 ans par génération, 233≈8,6×1092^{33}\approx 8{,}6\times 10^{9} dépasse encore la population : le paradoxe ne vient pas de la durée choisie.

e)

Le document montre une génération I de 66 individus, alors qu'Emma devrait avoir 23=82^{3}=8 arrière-grands-parents.

Je vois que I-3 et I-4 sont les parents à la fois de II-2, grand-père paternel d'Emma, et de II-3, sa grand-mère maternelle. Je sais que chaque case de l'arbre théorique est une personne différente. J'en déduis que ce couple occupe DEUX places de l'arbre d'Emma : c'est l'implexe.

Sur des dizaines de générations, les unions entre cousins plus ou moins éloignés sont inévitables dans des populations de taille limitée : les mêmes ancêtres reviennent des milliers de fois. Le nombre d'ancêtres DISTINCTS reste donc bien inférieur à 2g2^{g}, et le paradoxe disparaît.

Piège : croire l'arbre faux. Il est juste ; c'est le calcul de 2g2^{g} qui suppose, à tort, que toutes les cases sont des personnes différentes.

f)

À chaque génération, la part moyenne transmise est divisée par 22 :

(12)10=11 024≈0,000 98\left(\dfrac{1}{2}\right)^{10}=\dfrac{1}{1\,024}\approx 0{,}000\,98, soit environ 0,098 %0{,}098\ \%.

6,4×1091 024=6,25×106\dfrac{6{,}4\times 10^{9}}{1\,024}=6{,}25\times 10^{6} paires de bases, environ 6,256{,}25 millions.

C'est une MOYENNE : l'ADN se transmet par grands segments, si bien qu'au-delà d'une dizaine de générations certains ancêtres de l'arbre n'ont transmis aucun segment.

Conclusion : nous avons tous un très grand nombre d'ancêtres en commun, et les génomes gardent des traces d'un grand nombre de générations, mais ces traces se diluent et s'effacent en remontant le temps.

Exercice 5 : Exposé structuré : la tolérance au lactose, une sélection récente

1 réponses vérifiables

Chez presque tous les mammifères, la production de lactase, l'enzyme qui digère le lactose, le sucre du lait, s'arrête après le sevrage. Chez une partie des humains, elle se poursuit à l'âge adulte : c'est la persistance de la lactase, qui permet de digérer le lait. En Europe, elle est associée à un allèle noté T, situé tout près du gène de la lactase ; un seul exemplaire suffit. Chez des éleveurs d'Afrique de l'Est, la persistance est due à d'autres mutations, voisines mais différentes. L'élevage d'animaux laitiers est pratiqué depuis plus de 8 000 ans au Proche-Orient et en Europe.

Les documents sont une aide : ils peuvent vous permettre d'illustrer votre exposé, mais leur analyse n'est pas attendue.

020406080100adultes qui digèrent le lactose (%)90 %Europedu Nord60 %Afrique de l'Est(éleveurs)45 %Europedu Sud15 %Afrique de l'Ouest(agriculteurs)8 %Asiede l'Est
Document 1 : part des adultes qui digèrent le lactose selon la région (valeurs approchées et simplifiées pour l'exercice).
−8 000−6 000−4 000−2 00002 00000,20,40,60,8date (années)fréquence de l'allèle Tdébuts de l'élevage laitiersquelettes datés (ADN ancien)population actuelle
Document 2 : fréquence de l'allèle T dans des squelettes d'Europe centrale datés par l'archéologie, et dans la population actuelle (données fictives simplifiées ; les dates négatives sont avant notre ère).
  • a) Expliquer comment un allèle, celui de la persistance de la lactase, est devenu fréquent dans certaines populations humaines au cours des derniers millénaires. Vous rédigerez un exposé structuré, avec une introduction, un développement organisé et une conclusion, illustré par des exemples.

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a)
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Réponses

  • a) Mutation aléatoire, puis sélection naturelle dans les populations d'éleveurs : les porteurs de l'allèle T avaient davantage de descendants, sa fréquence a augmenté en quelques milliers d'années
a)

Plan possible. Introduction : la lactase s'éteint d'ordinaire après le sevrage ; certains adultes digèrent pourtant le lait ; comment l'allèle responsable est-il devenu fréquent ?

I. Une variation génétique d'origine aléatoire : mutation, allèle T, dominance.

II. Un milieu qui la favorise : l'élevage laitier, l'avantage des porteurs, la sélection naturelle au fil des générations.

III. Les preuves et les limites : l'ADN ancien, la répartition actuelle, d'autres mutations en Afrique de l'Est.

Conclusion : une sélection récente, encore visible dans les génomes, qui montre que l'évolution humaine se poursuit.

Éléments attendus, à organiser :

L'allèle T est apparu par une MUTATION aléatoire, chez un individu, sans lien avec la consommation de lait.

Un seul exemplaire suffit : les hétérozygotes digèrent le lait, ce qui rend l'allèle visible à la sélection dès qu'il est rare.

Dans les populations qui élevaient des animaux laitiers, les adultes porteurs pouvaient tirer du lait une nourriture et une boisson supplémentaires, précieuses en période de disette : ils survivaient mieux et avaient plus d'enfants. Les causes exactes de l'avantage restent discutées.

L'allèle, plus souvent transmis, a vu sa fréquence augmenter de génération en génération : c'est la SÉLECTION NATURELLE, qui agit sur une variation qui existe déjà.

L'ADN ancien montre un allèle presque absent il y a 7 0007\,000 ans et fréquent aujourd'hui (document 2) : en environ 280280 générations de 2525 ans, la hausse est rapide à l'échelle de l'évolution.

La persistance est fréquente là où l'élevage laitier est ancien et rare ailleurs, en Asie de l'Est par exemple (document 1). Chez des éleveurs d'Afrique de l'Est, d'autres mutations donnent le même résultat : un même milieu a sélectionné des variations différentes, indépendamment.

Une corrélation entre élevage et persistance ne suffit pas seule ; c'est l'ensemble, hausse datée par l'ADN ancien, répartition et mécanisme, qui soutient l'hypothèse d'une sélection.

Piège : écrire « à force de boire du lait, les adultes ont acquis la tolérance ». Un caractère acquis au cours de la vie ne modifie pas l'ADN transmis.

Vocabulaire exigible : mutation aléatoire, allèle, diversité allélique, fréquence d'un allèle, génération, sélection naturelle, avantage, sélection actuelle ou récente, ADN ancien.

Grille. Organisation : un fil logique de la mutation à la sélection, une introduction qui pose le problème et une conclusion qui y répond. Exactitude et complétude : mutation aléatoire, avantage dans un milieu, transmission et hausse de fréquence, rôle de l'ADN ancien. Exemples : au moins deux, tirés des documents ou du cours, comme l'Europe du Nord, l'Asie de l'Est ou les éleveurs d'Afrique de l'Est.

Partie B : pratiquer un raisonnement scientifique (/50)

Exercice 6 : Trois squelettes, une famille ? Les marqueurs de la sépulture médiévale

12 réponses vérifiables

Dans la couche supérieure de la grotte des Trois-Sources, les archéologues ont dégagé une sépulture du XIVᵉ siècle : un homme adulte (S1), une femme adulte (S2) et un enfant d'environ six ans (S3). Un second homme (S4) repose dans la tombe voisine. Hypothèse à tester : S1 et S2 sont les parents de S3. Le laboratoire extrait l'ADN des dents, mieux protégé que celui des os, et compare deux marqueurs génétiques, A et B : de courtes régions dont la longueur varie beaucoup d'une personne à l'autre. Chaque allèle d'un marqueur donne une bande à une hauteur précise du gel ; la piste « réf. » contient tous les allèles connus.

réf.S1S2S3S4a1a2a3a4a5Marqueur Aréf. S1S2S3S4b1b2b3b4b5−+migrationMarqueur B
Document 1 : électrophorèse des marqueurs A et B des quatre squelettes. Les bandes migrent du pôle moins vers le pôle plus ; deux bandes à la même hauteur sont le même allèle.
  • a) Document 1. Relevez les allèles de S3 à chaque marqueur, et expliquez pourquoi S1 ne présente qu'une bande au marqueur B.
  • b) Rappelez ce qu'un enfant reçoit de chacun de ses parents pour un marqueur donné. Montrez que S1 et S2 peuvent être les parents de S3, en précisant l'allèle venu de chacun à chaque marqueur.
  • c) Les archéologues envisagent aussi que S4 soit le père de S3. En admettant que S2 est bien la mère, montrez que S4 est exclu.
  • AllèleHommes porteurs d'au moins un exemplaire
    a119 %
    a352 %
    b236 %
    b441 %
    Document 2 : fréquence de quelques allèles dans la population de la région au XIVᵉ siècle, estimée sur 200 squelettes (données fictives).
  • d) Document 2. On admet que les deux marqueurs se transmettent indépendamment. Calculez la probabilité qu'un homme pris au hasard dans la population soit, lui aussi, compatible avec la paternité de S3. Que peut-on conclure, puis ne pas conclure, au sujet de S1 ?
  • e) Les laboratoires d'identification comparent aujourd'hui une vingtaine de marqueurs ayant chacun une dizaine d'allèles. Montrez qu'un marqueur à 10 allèles permet 55 combinaisons de deux allèles, puis donnez la puissance de 10 du nombre de combinaisons possibles pour 20 marqueurs. Comparez à la population mondiale, environ 8 milliards, et concluez.

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a)
b)
c)
d)
e)
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Réponses

  • a) S3 : a1 et a3, b2 et b4 ; S1 est homozygote b2 au marqueur B, d'où une seule bande
  • b) Un allèle de chaque parent : a1 et b2 viennent de S1, a3 et b4 de S2
  • c) Non : S4 n'a ni a1 ni b2, les deux allèles que le père doit fournir ; les deux marqueurs l'excluent
  • d) 0,19×0,36≈0,0680{,}19\times 0{,}36\approx 0{,}068, soit environ 6,8 %6{,}8\ \% : S1 est compatible, sa paternité n'est pas prouvée
  • e) 10+45=5510+45=55 combinaisons ; 5520≈6,4×103455^{20}\approx 6{,}4\times 10^{34}, puissance 3434 : bien plus que 8×1098\times 10^{9} humains
a)

Je vois que S3 montre deux bandes au marqueur A, aux hauteurs de a1 et de a3 de la piste de référence, et deux bandes au marqueur B, à celles de b2 et b4.

Je vois que S1 n'a qu'une bande au marqueur B, à la hauteur de b2. Je sais que chaque cellule porte deux exemplaires de chaque marqueur, l'un d'origine paternelle, l'autre d'origine maternelle. J'en déduis que S1 porte deux fois l'allèle b2 : il est homozygote, et les deux exemplaires identiques migrent au même endroit.

Piège : conclure qu'il « manque » un allèle à S1. Une seule bande signale deux allèles identiques.

b)

Un enfant reçoit, pour chaque marqueur, un allèle de son père et un allèle de sa mère.

Marqueur A : S3 porte a1 et a3. S1 porte a1 et a4, S2 porte a2 et a3 : a1 peut venir de S1 et a3 de S2.

Marqueur B : S3 porte b2 et b4. S1 porte b2 et b2, S2 porte b1 et b4 : b2 peut venir de S1 et b4 de S2.

Aux deux marqueurs, chaque allèle de S3 trouve sa source, un chez chaque parent supposé : S1 et S2 sont COMPATIBLES avec la parenté. Ce n'est pas encore une preuve, comme le montre la question d).

c)

Si S2 est la mère, elle ne peut donner à S3 que a3 au marqueur A, car elle n'a pas a1, et que b4 au marqueur B, car elle n'a pas b2. Le père doit donc avoir fourni a1 et b2.

S4 porte a3 et a5 : pas d'a1. Il porte b3 et b4 : pas de b2. Il est exclu par les DEUX marqueurs.

Une exclusion par un seul marqueur pourrait venir d'une mutation rare ou d'une erreur de lecture d'un ADN ancien ; deux exclusions indépendantes rendent la conclusion solide.

d)

Un père compatible doit porter a1 ET b2. Les deux marqueurs étant indépendants, on multiplie les proportions :

0,19×0,36=0,06840{,}19\times 0{,}36=0{,}0684, soit environ 6,8 %6{,}8\ \%.

Environ un homme sur quinze de la population serait aussi compatible que S1. On peut conclure que S1 n'est pas exclu et que sa paternité est plausible ; on ne peut pas conclure qu'elle est prouvée.

La position des corps dans la même tombe renforce l'hypothèse, sans la démontrer. Il faudrait comparer davantage de marqueurs.

Piège : additionner les proportions, 19+36=55 %19+36=55\ \%. Être compatible exige les deux allèles à la fois : la probabilité diminue avec chaque marqueur ajouté.

e)

Avec 1010 allèles, une personne porte soit deux exemplaires du même allèle, 1010 possibilités, soit deux allèles différents :

10×92=45\dfrac{10\times 9}{2}=45 paires, donc 10+45=5510+45=55 combinaisons.

Pour 2020 marqueurs indépendants : 5520≈6,4×103455^{20}\approx 6{,}4\times 10^{34}, puissance 3434.

C'est environ 102510^{25} fois plus que les 8×1098\times 10^{9} humains vivants. La diversité allélique est si grande que l'ensemble des marqueurs identifie pratiquement un individu, sauf de vrais jumeaux, qui ont le même génome.

En pratique, les combinaisons ne sont pas toutes également fréquentes : le calcul donne un ordre de grandeur, pas une probabilité exacte.

Exercice 7 : L'ossement de la couche profonde : lire un génome néandertalien

12 réponses vérifiables

Dans la couche profonde de la même grotte, datée d'environ 50 000 ans, un fragment de fémur a été attribué à un Néandertalien d'après sa forme. Le laboratoire travaille en salle blanche, en combinaison, masque et air filtré, et broie quelques dixièmes de gramme d'os pour en extraire l'ADN. Sur les 10 millions de fragments séquencés, 3 % ont une séquence proche de celle du génome humain ; les autres proviennent de bactéries et de champignons du sol (données fictives).

02040608010012014010203040longueur (paires de bases)fragments (%)38 %34 %15 %8 %5 %
Document 1 : longueur des fragments d'ADN de type humain extraits du fémur (données fictives). Dans une cellule vivante, une molécule d'ADN mesure des dizaines de millions de paires de bases.
  • a) Document 1. Relevez la classe de longueur la plus représentée, puis calculez le pourcentage de fragments de moins de 60 paires de bases.
  • b) Calculez le nombre de fragments de type humain parmi les 10 millions séquencés, en milliers. Expliquez pourquoi un génome fossile est difficile à reconstituer.
  • c) Le laboratoire craint une contamination par l'ADN des fouilleurs. Expliquez en quoi la longueur des fragments aide à la repérer, et pourquoi le travail se fait en salle blanche.
  • 0102030405060différences sur 379 nucléotides8deux humainsactuels27humain actuelet Néandertalien55humain actuelet chimpanzé
    Document 2 : nombre moyen de différences sur un même segment de 379 nucléotides de l'ADN mitochondrial (ordre de grandeur des résultats publiés en 1997).
  • d) Document 2. Calculez, en pourcentage du segment, les différences entre deux humains actuels, entre un humain actuel et le Néandertalien, et entre un humain actuel et un chimpanzé.
  • e) Mettez en relation ces résultats pour situer le Néandertalien par rapport à la variabilité des humains actuels et par rapport au chimpanzé.
  • Individu actuelLongueur totale des segments d'origine néandertalienne
    Européen58 millions de paires de bases
    Asiatique de l'Est70 millions de paires de bases
    Africain de l'Ouest5 millions de paires de bases
    Document 3 : segments d'origine néandertalienne repérés dans le génome de trois individus actuels, rapportés à un lot de chromosomes de 3 200 millions de paires de bases (données fictives réalistes).
  • f) Document 3. Calculez la part du génome d'origine néandertalienne chez chacun des trois individus. Expliquez le rôle de l'individu africain et ce que ces résultats révèlent de l'histoire d'Homo sapiens.

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a)
b)
c)
d)
e)
f)
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Réponses

  • a) Classe de 20 à 40 paires de bases (38 %38\ \%) ; 38+34=72 %38+34=72\ \% des fragments font moins de 60 paires de bases
  • b) 0,03×107=3×1050{,}03\times 10^{7}=3\times 10^{5}, soit 300300 milliers ; fragments courts, rares et mêlés d'ADN étranger
  • c) Un ADN récent est long : les fragments longs à séquence humaine signalent une contamination probable ; la salle blanche la limite
  • d) 2,1 %2{,}1\ \% ; 7,1 %7{,}1\ \% ; 14,5 %14{,}5\ \%
  • e) En moyenne trois fois plus éloigné de nous que deux humains entre eux, mais deux fois plus proche que le chimpanzé : une lignée humaine distincte
  • f) 1,8 %1{,}8\ \%, 2,2 %2{,}2\ \% et 0,16 %0{,}16\ \% ; le témoin africain situe les croisements hors d'Afrique, après la sortie d'Homo sapiens
a)

Je vois que la barre la plus haute est celle de 20 à 40 paires de bases, avec 38 %38\ \% des fragments.

Moins de 60 paires de bases : 38+34=72 %38+34=72\ \%.

Près des trois quarts de l'ADN conservé est donc en morceaux d'une cinquantaine de nucléotides au plus, alors qu'une molécule d'ADN d'une cellule vivante en compte des dizaines de millions.

b)

3 %3\ \% de 1010 millions :

0,03×107=3×1050{,}03\times 10^{7}=3\times 10^{5} fragments, soit 300300 milliers.

Je sais qu'après la mort, les enzymes, l'eau et le temps coupent et abîment l'ADN, et que les microbes du sol colonisent l'os. J'en déduis que l'ADN néandertalien est rare, réduit à de très courts fragments, et noyé dans l'ADN étranger : il faut séquencer des millions de fragments et les replacer un à un, par comparaison avec le génome humain de référence.

C'est pourquoi le premier génome néandertalien n'a été publié qu'en 2010, et pourquoi au-delà de quelques centaines de milliers d'années l'ADN n'est en général plus lisible : la trace s'efface avec le temps.

c)

L'ADN d'un fouilleur ou d'un chercheur est récent : il est encore en longs fragments. Un fragment de séquence humaine de 400 paires de bases est donc très probablement une contamination, alors que l'ADN ancien est court (document 1).

La salle blanche, la combinaison et le masque empêchent l'ADN des manipulateurs d'atteindre l'échantillon. On compare aussi à un témoin : un tube traité sans os, qui ne doit contenir aucun ADN humain.

La longueur n'est qu'un indice : un ADN moderne peut aussi être fragmenté. Les laboratoires combinent plusieurs critères.

d)

On rapporte chaque nombre de différences aux 379379 nucléotides :

8379≈2,1 %\dfrac{8}{379}\approx 2{,}1\ \% ; 27379≈7,1 %\dfrac{27}{379}\approx 7{,}1\ \% ; 55379≈14,5 %\dfrac{55}{379}\approx 14{,}5\ \%.

e)

Je vois que le Néandertalien diffère de nous de 2727 nucléotides en moyenne, contre 88 entre deux humains actuels. Je calcule 278≈3,4\dfrac{27}{8}\approx 3{,}4 : il est environ trois fois plus éloigné, et sort nettement de l'écart moyen observé chez les humains actuels.

Je vois aussi que le chimpanzé diffère de nous de 5555 nucléotides, environ deux fois plus que le Néandertalien.

Je sais que plus deux séquences sont proches, plus leur ancêtre commun est récent. J'en déduis que les Néandertaliens forment une lignée humaine DISTINCTE de la nôtre, proche mais séparée depuis longtemps : ce ne sont pas nos ancêtres directs, mais des cousins.

Ce segment ne compare que l'ADN mitochondrial, transmis par les mères : le document 3, sur le génome entier, apporte une autre information.

f)

On rapporte chaque longueur aux 3 2003\,200 millions de paires de bases :

583 200≈1,8 %\dfrac{58}{3\,200}\approx 1{,}8\ \% ; 703 200≈2,2 %\dfrac{70}{3\,200}\approx 2{,}2\ \% ; 53 200≈0,16 %\dfrac{5}{3\,200}\approx 0{,}16\ \%.

L'individu africain sert de TÉMOIN : ses ancêtres sont restés en Afrique, où les Néandertaliens ne vivaient pas. Sa part, presque nulle, montre que les segments des deux autres ne sont pas un héritage ancien commun à tous, mais la trace de croisements.

J'en déduis que des Homo sapiens sortis d'Afrique se sont croisés avec des Néandertaliens, en Europe ou en Asie de l'Ouest, avant de se répandre en Eurasie ; la descendance était fertile, puisque ces segments sont parvenus jusqu'à nous. La petite part chez l'Africain peut venir de migrations plus récentes vers l'Afrique.

Piège : conclure « les Européens descendent des Néandertaliens ». Ils en ont hérité environ 2 %2\ \% de leur génome ; les 98 %98\ \% restants viennent d'Homo sapiens.

Exercice 8 : Cinq affirmations à corriger

5 réponses vérifiables

Pour chaque affirmation, dites si elle est vraie ou fausse. Le corrigé réécrit chaque affirmation fausse sous une forme exacte : c'est cette phrase corrigée qui rapporte les points en devoir.

  • a) « Le génome humain de référence est celui d'un seul individu, et tout écart à cette séquence est une anomalie. »
  • b) « Les Néandertaliens sont les ancêtres directs des Européens actuels. »
  • c) « Le manque d'oxygène en altitude a provoqué chez les Tibétains la mutation du gène EPAS1 qui les protège. »
  • d) « L'ADN extrait d'un ossement ancien est souvent coupé en fragments de quelques dizaines de paires de bases. »
  • e) « Deux personnes qui partagent un allèle rare à un marqueur génétique sont forcément apparentées. »

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a)
b)
c)
d)
e)
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Réponses

  • a) Faux : la référence est une mosaïque de quelques donneurs, et un allèle différent n'est pas une anomalie
  • b) Faux : lignée sœur ; des croisements ont transmis environ 2 % d'ADN néandertalien aux non-Africains
  • c) Faux : l'allèle existait avant (hérité des Dénisoviens) ; l'altitude l'a sélectionné
  • d) Vrai
  • e) Faux : un allèle rare partagé peut être dû au hasard ; il faut de nombreux marqueurs
a)

Faux. La séquence de référence est une MOSAÏQUE assemblée à partir de l'ADN de quelques donneurs anonymes. Elle sert de repère pour comparer, pas de norme.

Correction : « Le génome de référence est une séquence composite qui sert de repère ; chaque être humain en diffère par des millions d'allèles, le plus souvent sans effet sur sa santé. »

b)

Faux. La lignée néandertalienne et la lignée d'Homo sapiens descendent d'un ancêtre commun ; aucune ne descend de l'autre.

Mais des croisements féconds ont eu lieu hors d'Afrique : certains Néandertaliens comptent donc parmi les ancêtres des Européens, comme de tous les non-Africains.

Correction : « Les Néandertaliens forment une lignée sœur de la nôtre. Des croisements avec Homo sapiens ont laissé environ 2 % d'ADN néandertalien dans le génome des non-Africains. »

c)

Faux. Une mutation se produit au hasard, sans lien avec ce dont l'organisme aurait besoin. L'allèle d'altitude des Tibétains existait avant leur installation en altitude ; il a même été hérité de croisements avec les Dénisoviens (exercice 10).

Correction : « En altitude, les porteurs de l'allèle EPAS1 favorable ont eu plus d'enfants survivants ; la sélection naturelle a rendu cet allèle fréquent chez les Tibétains. »

d)

Vrai. Après la mort, l'ADN est coupé par les enzymes et abîmé par l'eau et le temps : il en reste surtout des fragments courts, souvent de quelques dizaines de paires de bases, mêlés d'ADN microbien (exercice 7). Le mot « souvent » est juste : la conservation dépend beaucoup du froid et du milieu.

e)

Faux. Un allèle, même rare, est porté par une partie de la population : deux personnes peuvent le partager par hasard. Une parenté se teste sur de nombreux marqueurs, et ce sont surtout les incompatibilités qui tranchent (exercice 6).

Correction : « Le partage d'un allèle rare rend une parenté plus probable sans la prouver ; c'est la comparaison de nombreux marqueurs qui établit ou exclut une parenté. »

Exercice 9 : La peste noire a-t-elle laissé sa trace dans nos génomes ?

7 réponses vérifiables

Entre 1347 et 1351, la peste noire, due à la bactérie Yersinia pestis, a tué entre un tiers et la moitié de la population européenne. Le laboratoire du fil étudie le cimetière du bourg voisin de la grotte : des squelettes enterrés avant 1348, des victimes des fosses communes de 1348 à 1350, et des squelettes enterrés entre 1350 et 1450. Il s'intéresse à un gène de l'immunité, ERAP2, qui intervient dans la reconnaissance des microbes par certaines cellules, avec deux allèles notés P et p. Le gène est réel ; les données sont simplifiées et fictives, inspirées d'une étude publiée en 2022 sur des squelettes de Londres et du Danemark.

00,10,20,30,40,50,6fréquence de l'allèle P0,40avant 1348120 squelettes0,33victimesde 1348-13500,50après 1350110 squelettes
Document 1 : fréquence de l'allèle P dans les trois groupes de squelettes.
  • a) Document 1. Relevez la fréquence de l'allèle P avant 1348 et après 1350. Calculez sa variation, puis cette variation en pourcentage de la fréquence de départ.
  • b) Comparez la fréquence de P chez les victimes à celle de la population d'avant l'épidémie. Que suggère cet écart ?
  • 020406080bactéries éliminées en 24 h (%)72 %génotype PP58 %génotype Pp41 %génotype pp
    Document 2 : des macrophages, cellules qui détruisent les bactéries, prélevés chez des donneurs actuels de génotypes différents, sont mis en présence d'une souche atténuée de Yersinia pestis, sans danger pour les manipulateurs ; part des bactéries éliminées en 24 heures.
  • c) Document 2. Calculez combien de fois plus de bactéries les macrophages PP éliminent que les macrophages pp. Montrez que l'expérience ne fait varier qu'un seul facteur, et mettez-la en relation avec le document 1.
  • ObservationRésultat
    250 marqueurs témoins, sans rôle connu dans l'immunitévariation moyenne de fréquence 0,01 entre avant 1348 et après 1350, jamais plus de 0,04
    Allèle P aujourd'huirisque de maladie de Crohn, une maladie inflammatoire de l'intestin, multiplié par environ 1,2
    Peste aujourd'huirare en Europe, soignée par antibiotiques
    Document 3 : marqueurs témoins et effets actuels de l'allèle P (données simplifiées).
  • d) Calculez le nombre de générations écoulées entre 1348 et 1400, à 25 ans par génération. Document 3 : montrez que la variation de P ne s'explique pas par le seul hasard.
  • e) Document 3. Expliquez pourquoi l'allèle P n'a pas remplacé l'allèle p, et pourquoi on parle d'une sélection PASSÉE.

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a)
b)
c)
d)
e)
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Réponses

  • a) 0,400{,}40 puis 0,500{,}50 : hausse de 0,100{,}10, soit 25 %25\ \% de la valeur de départ
  • b) 0,330{,}33 contre 0,400{,}40 : les porteurs de P sont sous-représentés parmi les victimes, ils mouraient moins
  • c) 7241≈1,76\dfrac{72}{41}\approx 1{,}76 fois plus ; seul le génotype change : P aide les cellules à éliminer la bactérie
  • d) Environ 22 générations ; 0,100{,}10 contre 0,010{,}01 en moyenne pour les témoins : une sélection naturelle, pas le seul hasard
  • e) P a un coût (maladie inflammatoire) et la peste ne sélectionne plus : avantage passé, compromis
a)

Je relève 0,400{,}40 avant 1348 et 0,500{,}50 après 1350.

Variation : 0,50−0,40=0,100{,}50-0{,}40=0{,}10.

En valeur relative : 0,100,40=0,25\dfrac{0{,}10}{0{,}40}=0{,}25, soit +25 %+25\ \%.

Piège : rapporter la hausse à la valeur d'arrivée, 0,100,50=20 %\dfrac{0{,}10}{0{,}50}=20\ \%. Une variation relative se rapporte toujours au point de départ.

b)

Je vois que les victimes ont une fréquence de P de 0,330{,}33, plus basse que celle de la population d'avant, 0,400{,}40.

Si l'allèle n'avait aucun effet, les victimes, tirées de cette population, auraient en moyenne la même fréquence. J'en déduis que les porteurs de P étaient sous-représentés parmi les morts : ils semblent avoir mieux résisté à la peste.

Ce n'est encore qu'une corrélation : le document 2 cherche le mécanisme.

c)

Rapport :

7241≈1,76\dfrac{72}{41}\approx 1{,}76.

Les macrophages viennent de donneurs actuels, reçoivent la même bactérie, dans les mêmes conditions et pendant la même durée : seul le génotype change. Les cellules pp servent de témoin.

Je vois que plus une cellule porte d'exemplaires de P, plus elle élimine de bactéries (4141, 5858 puis 72 %72\ \%). J'en déduis que l'allèle P améliore la défense contre Yersinia pestis, ce qui explique la sous-représentation de ses porteurs parmi les victimes.

Les conditions d'une culture ne sont pas celles d'un organisme : l'expérience rend le mécanisme plausible, sans le démontrer chez les malades de 1348.

d)

1 400−1 34825≈2\dfrac{1\,400-1\,348}{25}\approx 2 générations.

Une fréquence qui change de 0,100{,}10 en deux générations seulement, c'est très rapide. Le hasard peut aussi faire varier une fréquence, mais il agit sur tous les marqueurs à la fois : les 250250 marqueurs témoins n'ont varié que de 0,010{,}01 en moyenne, jamais plus de 0,040{,}04.

La variation de P, 0,100{,}10, est bien plus grande que celle des témoins : elle ne s'explique pas par le seul hasard. C'est une SÉLECTION NATURELLE : les porteurs de P ont davantage survécu et transmis l'allèle.

Méthode : on conclut grâce à la comparaison au témoin, et non sur la seule hausse de P.

e)

L'allèle P n'apporte pas qu'un avantage : il est aujourd'hui associé à un risque un peu plus élevé de maladie de Crohn, une maladie inflammatoire. Un allèle avantageux face à un microbe peut être défavorable dans un autre contexte : c'est un compromis.

La peste, rare et soignée par antibiotiques, ne trie plus les génotypes en Europe : l'avantage de P n'existe plus. La sélection a donc eu lieu dans le passé, pendant les épidémies.

Piège : écrire « P protège contre la peste, donc c'est un bon allèle ». Un allèle n'est avantageux ou défavorable que dans un milieu donné.

Exercice 10 : Problème : l'allèle d'altitude des Tibétains, un héritage dénisovien sélectionné

7 réponses vérifiables

Les Tibétains vivent depuis des millénaires sur un plateau situé à plus de 4 000 m d'altitude, où chaque inspiration apporte environ 40 % d'oxygène de moins qu'au niveau de la mer. Le gène EPAS1 code une protéine qui règle la réponse de l'organisme au manque d'oxygène, en particulier la production de globules rouges. Le laboratoire du fil compare ce gène dans plusieurs populations et dans les génomes fossiles.

Consigne. À partir de l'exploitation des documents et de vos connaissances, montrez que l'allèle d'altitude du gène EPAS1, fréquent chez les Tibétains, a été hérité des Dénisoviens et que sa fréquence actuelle s'explique par une sélection naturelle liée à la vie en haute altitude.

00,20,40,60,81fréquence de l'allèle d'altitude0,78Tibétains(altitude)0,02Han(plaines)≈ 0Européens≈ 0Africainsde l'Ouest
Document 1 : fréquence de l'allèle d'altitude d'EPAS1 dans quatre populations actuelles (données simplifiées). Les ancêtres des Tibétains et des Han se sont séparés il y a quelques milliers d'années.
05101520hémoglobine (g/dL)15,2Tibétainsgénotype AA15,9Tibétainsgénotype Aa17,0Tibétainsgénotype aa18,6Han installésgénotype aavaleurs usuellesau niveau de la mer
Document 2 : concentration moyenne d'hémoglobine du sang chez des hommes adultes vivant à 4 000 m, selon le génotype (A : allèle d'altitude ; données fictives). Trop d'hémoglobine épaissit le sang et expose au mal chronique des montagnes.
Génotype des mères, à 4 000 mAAAaaa
Nombre moyen d'enfants vivants à 5 ans3,63,42,7
Document 2 bis : descendance des femmes tibétaines selon leur génotype (données fictives).
ACATTAACACGTCGTGGTTibétainACGTTAGCATGCCATGATHanACATTAACACGCCGTGGTDénisovienACATTAGCATGCCATGATNéandertalienACGTTAGCATGCCATGATChimpanzé161218
Document 3 : un court segment du gène EPAS1 (simplifié pour l'exercice), aligné chez un Tibétain porteur de l'allèle d'altitude, un Han, un Dénisovien, un Néandertalien et un chimpanzé.
Les Dénisoviens
Génome lu en 2010 dans une phalange de la grotte de Denisova, en Sibérie.
Une mâchoire dénisovienne d'au moins 160 000 ans a été trouvée sur le plateau tibétain, à 3 280 m d'altitude.
Homo sapiens n'a peuplé le plateau tibétain que bien plus tard, il y a quelques dizaines de milliers d'années.
Document 4 : ce que l'on sait des Dénisoviens.
  • Pour vous aider (questions facultatives) :
  • a) Document 1. Calculez combien de fois l'allèle d'altitude est plus fréquent chez les Tibétains que chez les Han.
  • b) Documents 2 et 2 bis. Comparez l'hémoglobine des génotypes et celle des Han installés en altitude, puis la descendance des femmes. Calculez l'écart d'hémoglobine entre les Han installés et les Tibétains AA.
  • c) Document 3. Comptez les différences entre le segment tibétain et les segments han, dénisovien et néandertalien.
  • d) Document 4. Expliquez pourquoi l'allèle a très probablement été transmis par croisement plutôt qu'apparu par une nouvelle mutation chez les Tibétains.

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b)
c)
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Réponses

  • a) 0,780,02=39\dfrac{0{,}78}{0{,}02}=39 fois plus fréquent chez les Tibétains
  • b) AA garde l'hémoglobine la plus basse (15,215{,}2 contre 18,618{,}6 g/dL chez les Han installés : écart de 3,43{,}4) et la plus grande descendance
  • c) 66 différences avec le Han, 11 avec le Dénisovien, 55 avec le Néandertalien
  • d) Le segment tibétain est presque identique au dénisovien ; les Dénisoviens vivaient sur le plateau avant Homo sapiens : l'allèle vient d'un croisement

Démarche attendue : saisir l'information utile de chaque document, la relier aux connaissances, puis conclure sur les DEUX parties de la consigne, l'origine de l'allèle et la cause de sa fréquence.

a)

Document 1. Je vois que l'allèle a une fréquence de 0,780{,}78 chez les Tibétains et de 0,020{,}02 chez les Han, et qu'il est pratiquement absent chez les Européens et les Africains de l'Ouest.

0,780,02=39\dfrac{0{,}78}{0{,}02}=39.

Je sais que les Tibétains et les Han se sont séparés il y a seulement quelques milliers d'années, soit quelques centaines de générations. J'en déduis qu'un tel écart entre populations si proches demande une explication : l'allèle a dû être FAVORISÉ chez les Tibétains.

b)

Documents 2 et 2 bis. Je vois que les Tibétains AA ont 15,215{,}2 g/dL d'hémoglobine, dans les valeurs usuelles de plaine, les Tibétains aa 17,017{,}0 et les Han installés 18,618{,}6 g/dL.

Écart : 18,6−15,2=3,418{,}6-15{,}2=3{,}4 g/dL.

Je sais qu'en altitude l'organisme produit plus de globules rouges, ce qui épaissit le sang. J'en déduis que l'allèle A limite cet excès et protège du mal chronique des montagnes.

Je vois aussi que les mères AA ont en moyenne 3,63{,}6 enfants vivants à cinq ans, contre 2,72{,}7 pour les mères aa. Les porteurs de A ont une meilleure valeur sélective en altitude : ils transmettent plus souvent l'allèle. C'est le moteur d'une SÉLECTION NATURELLE, qui a fait monter la fréquence de A au fil des générations.

c)

Document 3. On compare base par base, colonne par colonne :

Tibétain et Han : 66 différences, aux positions 33, 77, 1010, 1212, 1414 et 1717.

Tibétain et Dénisovien : 11 seule différence, en position 1212.

Tibétain et Néandertalien : 55 différences ; le Néandertalien ne partage avec le Tibétain que la base de la position 33.

Le Han est identique au chimpanzé sur ce segment : il porte la version ancestrale. J'en déduis que le segment tibétain ressemble bien plus à celui des Dénisoviens qu'à celui de ses voisins han.

La différence en position 1212 peut s'expliquer par une mutation survenue après la transmission de l'allèle.

d)

Document 4. Les Dénisoviens vivaient sur le plateau tibétain, en altitude, bien avant Homo sapiens. Une nouvelle mutation chez les Tibétains aurait dû produire, par hasard, cinq bases identiques à celles des Dénisoviens : c'est très improbable.

Je sais que des Homo sapiens et des populations humaines archaïques se sont croisés, comme le montrent les allèles néandertaliens de nos génomes. J'en déduis que l'allèle d'altitude a été transmis par croisement avec des Dénisoviens, puis conservé dans la lignée des Tibétains.

Conclusion. L'allèle d'altitude d'EPAS1 n'est pas né chez les Tibétains : presque identique à la séquence dénisovienne et absent des autres populations actuelles, il a été hérité d'un croisement avec des Dénisoviens. D'abord rare, il a donné à ses porteurs, en haute altitude, une hémoglobine plus modérée et davantage d'enfants survivants : la sélection naturelle l'a rendu majoritaire chez les Tibétains, alors qu'il est resté rare chez les Han des plaines, où il n'apporte pas d'avantage connu.

Piège : écrire que l'altitude a « créé » l'allèle. L'histoire est en deux temps : une variation héritée par croisement, puis triée par le milieu.

Grille : chaque document saisi et relié à une connaissance ; les deux parties de la consigne traitées ; une conclusion qui répond au problème et non à un seul document.

ACATTAACACGTCGTGGTTibétainACGTTAGCATGCCATGATHanACATTAACACGCCGTGGTDénisovienACATTAGCATGCCATGATNéandertalienACGTTAGCATGCCATGATChimpanzé161218
Corrigé du document 3 : en rouge, les bases qui diffèrent de la séquence du chimpanzé, prise comme version ancestrale. Le Tibétain partage les cinq bases dénisoviennes.
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