Sélection naturelle chez l’escargot des haies

Enseignement scientifique Terminale

Durée 1h – 10 points – Thème « Une histoire du vivant »

L’escargot des haies, Cepaea nemoralis, une espèce d’escargot fréquente en Europe, présente une grande variété d’aspect de coquille. Les coquilles peuvent avoir une couleur jaune ou bien rose/rouge, elles peuvent être munies de bandes sombres ou complètement dépourvues de bandes. Ces caractères sont génétiquement déterminés.

Le gène B détermine le caractère « bandes » : l’absence de bandes sur la coquille est liée à l’allèle B^o qui est dominant, alors que la présence de bandes est liée à l’allèle B^b qui est récessif. Ces caractères sont facilement observables et peuvent être utilisés pour l’étude des populations dans le cadre des sciences participatives (programme scientifique conduit en partenariat entre des citoyens observateurs et un laboratoire de recherche).

Document 1 – La variété des coquilles dans les populations de Cepaea

Source : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Grove_snail_Cepaea_nemoralis,_showing_col our_and_banding_polymorphism.jpg

Des études sur la diversité des escargots des haies ont été réalisées sur des populations de différents environnements : environnements forestiers sombres et uniformes (hêtraie, chênaies et forêts mixtes) et environnements ouverts, clairs et variés (haies, prairies et pelouses).

Document 2 – Diagramme présentant les différents aspects des coquilles d’escargots des haies selon l’environnement étudié

Le diagramme indique pour chaque terrain étudié la proportion d’individus à coquilles jaunes (sur l’axe vertical) et sans bandes (sur l’axe horizontal).

Source : d’après Cain et Sheppard, Natural selection in Cepaea, Genetics, 1953 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1209639/pdf/89.pdf

1-En vous appuyant sur les données précédentes, recopier la ou les bonnes proposition(s) parmi la liste suivante :
• les escargots jaunes sans bande n’appartiennent pas à la même espèce que les escargots jaunes à bandes ;
• les escargots présentant des bandes ont l’allèle Bb en deux exemplaires ;
• dans les milieux forestiers, les escargots à coquille jaune sont plus abondants que les escargots à coquille rose/rouge ;
• dans les milieux forestiers, les escargots possèdent principalement une coquille rose/rouge et dépourvue de bandes.

D’après le sujet : L’escargot des haies, Cepaea nemoralis, une espèce d’escargot fréquente en Europe, présente une grande variété d’aspect de coquille.

1. L’affirmation « Les escargots jaunes sans bande n’appartiennent pas à la même espèce que les escargots jaunes à bandes » est fausse : Ils appartiennent tous à la même espèce, Cepaea nemoralis. Les différences d’aspect (couleur et bandes) sont dues à des variations génétiques au sein de l’espèce, pas à un changement d’espèce.

D’après le sujet : l’absence de bandes sur la coquille est liée à l’allèle B^o qui est dominant, alors que la présence de bandes est liée à l’allèle B^b qui est récessif.

Donc, seuls les escargots homozygotes Bb/Bb peuvent présenter des bandes.

Les hétérozygotes (Bo/Bb) auront une coquille sans bandes.

2. L’affirmation « Les escargots présentant des bandes ont l’allèle Bb en deux exemplaires » est vraie : L’allèle Bo (absence de bandes) est dominant, et l’allèle Bb (présence de bandes) est récessif. Donc, seuls les escargots homozygotes Bb/Bb peuvent présenter des bandes. Les hétérozygotes (Bo/Bb) auront une coquille sans bandes.

3. L’affirmation « Dans les milieux forestiers, les escargots à coquille jaune sont plus abondants que les escargots à coquille rose/rouge » est fausse, ils sont moins abondants.

4. L’affirmation « Dans les milieux forestiers, les escargots possèdent principalement une coquille rose/rouge et dépourvue de bandes » est vraie : Selon le diagramme, dans les forêts sombres, les escargots sont majoritairement sans bandes.

Document 3 – Étude de la prédation dans le cas des escargots des haies

Cepaea nemoralis

Un des prédateurs de l’escargot des haies est la grive musicienne Turdus philomelos qui repère ses proies à vue. Après les avoir repérés, la grive les frappe sur des objets tels que des pierres ou bouts de bois afin de les casser. Ces pierres ou bouts de bois sont nommés des « enclumes ». Au pied d’une enclume à grive, on peut trouver une multitude de fragments de coquilles correspondant aux escargots mangés par les grives. En reconstituant les coquilles cassées on peut obtenir un échantillon et le comparer à un échantillon représentatif de la population locale d’escargots vivants. Des résultats obtenus dans une forêt mixte sont regroupés dans le tableau ci-dessous :

Tableau des effectifs d’escargots des haies (d’après Cain et Sheppard 1954)

	Effectif de l’échantillon	Effectif des escargots à coquille à bandes	Proportion de coquilles à bande (%)
Dans la population locale d’escargots vivants	560	264	47,1
Parmi les coquilles trouvées auprès des enclumes	863	486	56,3

Source : d’après https://ressources.unisciel.fr/intro_biologie_evolution/co/grain_4_1_3.html

Document 4 – Rappel du modèle d’Hardy-Weinberg

Dans une population à l’équilibre de Hardy-Weinberg, soient A1 et A2 deux allèles d’un même gène, avec p la fréquence de l’allèle A1 et q la fréquence de l’allèle A2 et p + q = 1, les fréquences génotypiques sont :

p² = fréquence du génotype (A1//A1)
2 pq = fréquence du génotype (A1//A2)
q² = fréquence du génotype (A2//A2)

2- Indiquer le calcul permettant de retrouver qu’environ 47,1 % de l’échantillon représentatif de la population locale d’escargots vivants est composé d’escargots à bandes.

Pourcentage d’escargots à bandes = $\dfrac{\text{Nombre d’escargots à bandes}}{\text{Nombre total d’escargots}} \times 100$

Pourcentage d’escargots à bandes = $\dfrac{264}{560} \times 100$

Pourcentage d’escargots à bandes = $47,1\ %$

3- Dans cette question, on fait l’hypothèse que la population locale d’escargots suit le modèle d’Hardy-Weinberg. Déterminer, selon ce modèle, la fréquence de l’allèle B^b dans cet échantillon représentatif de la population locale, puis en déduire la fréquence de l’allèle B^o dans ce même échantillon. Les réponses seront données au millième près.

Calculons la fréquence de l’allèle Bb ($q$) sachant que la fréquence des escargots à bandes (génotype Bb/Bb) est $47,1\ %$ dans l’échantillon représentatif de la population locale :

$q^2=0,471$

$q=\sqrt{0,471}$

$q=0,686$

Calculons la fréquence de l’allèle Bo ($p$) :

$p+q=1$

$p=1-q$

$p=1-0,686=0,314$
$p=0,314$

Ainsi :
• La fréquence de l’allèle Bb ($q$) dans l’échantillon est 0,686.
• La fréquence de l’allèle Bo ($p$) dans l’échantillon est 0,314.

La proportion de coquilles à bande est plus élevée parmi les coquilles trouvées auprès des enclumes que dans l’échantillon représentatif de la population locale.

On admet que les bornes de l’intervalle de fluctuation au seuil de 95 % de la proportion de coquilles à bande dans la population locale d’escargots vivants peuvent être données par les formules $p-\frac{1}{\sqrt{n}}$ et $p+\frac{1}{\sqrt{n}}$ où $n$ désigne l’effectif de l’échantillon représentatif de la population locale et $p$ la proportion d’escargots à bande présents dans cet échantillon.

4a- Justifier que l’intervalle [0,428 ; 0,514 ] est un intervalle de fluctuation au seuil de 95 % de la proportion de coquilles à bande dans la population locale d’escargots vivants.

L’intervalle de fluctuation au seuil de 95 % est défini par les formules suivantes :

$p-\dfrac{1}{\sqrt{n}}$ et $p+\dfrac{1}{\sqrt{n}}$

avec :
• $p$ est la proportion d’escargots à bandes dans l’échantillon,
• $n$ est l’effectif de l’échantillon.

Calculons l’intervalle de fluctuation :

$p-\dfrac{1}{\sqrt{n}}=0,471-\dfrac{1}{\sqrt{560}}$

$p-\dfrac{1}{\sqrt{n}}=0,428$

$p+\dfrac{1}{\sqrt{n}}=0,471+\dfrac{1}{\sqrt{560}}$

$p+\dfrac{1}{\sqrt{n}}=0,513$

L’intervalle de fluctuation au seuil de 95 % de la proportion de coquilles à bande dans la population locale d’escargots vivants est donc $[0,428\ ;\ 0,513]$.

4b- Déterminer alors si l’écart entre la proportion d’escargots à bande dans l’échantillon représentatif de la population locale et la proportion d’escargots à bande dans l’échantillon constitué à partir des coquilles trouvées auprès des enclumes est significatif.

Calculons l’écart entre la proportion d’escargots à bande dans l’échantillon représentatif de la population locale et la proportion d’escargots à bande dans l’échantillon constitué à partir des coquilles trouvées auprès des enclumes ($56,3%$ d’après le document 3) est significatif.

$ecart=56,3-42,8=13,5\ %$

$ecart=56,3-51,3=5\ %$

L’écart est compris entre $5$ et $13,5\ %$. Ainsi, l’écart est significatif.

4c- Indiquer, avec un risque d’erreur à préciser, si les coquilles trouvées auprès des enclumes permettent de constituer un échantillon représentatif de la population locale.

D’après le document 3 : « Au pied d’une enclume à grive, on peut trouver une multitude de fragments de coquilles correspondant aux escargots mangés par les grives. En reconstituant les coquilles cassées on peut obtenir un échantillon et le comparer à un échantillon représentatif de la population locale d’escargots vivants ».

En reconstituants les coquilles cassés, on obtient un échantillon de 863 individus. Cet échantillon est représentatif.

Cependant, la reconstitution est une estimation qui peut induire des erreurs de calculs.

5a- Rappeler les conditions d’application du modèle d’Hardy Weinberg.

Le modèle de Hardy-Weinberg repose sur certaines conditions :

Une population de grande taille
Une absence de sélection naturelle
Une absence de migration

5b- Proposer une hypothèse explicative à la différence de proportion des escargots à bandes dans la population locale et dans les coquilles retrouvées près des enclumes qui justifierait que le modèle d’Hardy-Weinberg ne peut pas être appliqué dans cette situation.

Une hypothèse explicative qui pourrait justifier la différence de proportion d’escargots à bandes dans la population locale d’escargots et dans les coquilles retrouvées près des enclumes pourrait être la sélection naturelle exercée par la prédation des grives.

Les escargots à bandes pourraient être plus visibles pour les grives, rendant ces escargots plus vulnérables à la prédation.

Le modèle de Hardy-Weinberg repose sur l’absence de sélection naturelle, mais dans ce cas, la prédation par les grives entraîne une sélection naturelle qui favorise les escargots sans bandes, ce qui modifie les fréquences génotypiques dans l’échantillon constitué de coquilles retrouvées près des enclumes.

Ainsi, les coquilles retrouvées ne sont donc pas représentatives de la population locale d’escargots, car elles ne reflètent pas un échantillon aléatoire des génotypes de la population, mais plutôt ceux qui n’ont pas échappé à la prédation.

6- Justifier d’un point de vue statistique, l’intérêt de la mobilisation des citoyens dans le cadre des sciences participatives en lien avec l’étude des populations des escargots des haies.

La mobilisation des citoyens dans les sciences participatives permet de collecter un grand nombre de données sur de vastes territoires.

Cela augmente la taille des échantillons, améliore ainsi la précision statistique des résultats et réduit les marges d’erreur.

Grâce à la diversité des milieux étudiés (forêts, prairies, haies…), les données sont plus représentatives des populations naturelles. Cela permet de détecter des variations locales ou régionales dans les fréquences de certains caractères (comme la présence de bandes chez les escargots).

De plus, l’implication de nombreux observateurs rend possible l’analyse de tendances à long terme. Statistiquement, plus les données sont nombreuses et variées, plus les résultats sont fiables. Ainsi, les sciences participatives renforcent la validité des conclusions tirées des études sur les populations d’escargots.

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