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12.2 : Pressions sélectives et environnementales - Biologie

12.2 : Pressions sélectives et environnementales - Biologie


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Objectifs d'apprentissage

Comprendre comment les changements environnementaux et les pressions sélectives ont un impact sur la propagation des mutations, contribuant au processus d'évolution

La sélection naturelle n'agit que sur les traits héréditaires de la population : sélectionner les allèles bénéfiques et donc augmenter leur fréquence dans la population, tout en sélectionnant contre les allèles délétères et diminuant ainsi leur fréquence - un processus connu sous le nom de évolution adaptative. Cependant, la sélection naturelle n'agit pas sur des allèles individuels, mais sur des organismes entiers. Un individu peut porter un génotype très bénéfique avec un phénotype résultant qui, par exemple, augmente la capacité de reproduction (fécondité), mais si ce même individu porte également un allèle qui entraîne une maladie infantile mortelle, ce phénotype de fécondité ne sera pas transmis à la génération suivante, car l'individu ne vivra pas jusqu'à l'âge de procréer. La sélection naturelle agit au niveau de l'individu ; il sélectionne les individus ayant une plus grande contribution au pool génétique de la prochaine génération, connu sous le nom d'un organisme fitness évolutif (darwinien).

La forme physique est souvent quantifiable et est mesurée par des scientifiques sur le terrain. Cependant, ce n'est pas l'aptitude absolue d'un individu qui compte, mais plutôt sa comparaison avec les autres organismes de la population. Ce concept, appelé forme physique relative, permet aux chercheurs de déterminer quels individus apportent une progéniture supplémentaire à la prochaine génération, et ainsi, comment la population pourrait évoluer.

Il y a plusieurs manières que la sélection peut affecter la variation de la population : la sélection stabilisatrice, la sélection directionnelle, la sélection diversifiante, la sélection dépendante de la fréquence et la sélection sexuelle. Comme la sélection naturelle influence les fréquences alléliques dans une population, les individus peuvent devenir plus ou moins génétiquement similaires et les phénotypes affichés peuvent devenir plus similaires ou plus disparates.

Sélection stabilisatrice

Si la sélection naturelle favorise un phénotype moyen, en sélectionnant contre une variation extrême, la population subira sélection stabilisatrice (Figure 1a). Dans une population de souris qui vivent dans les bois, par exemple, la sélection naturelle est susceptible de favoriser les individus qui se fondent le mieux dans le sol de la forêt et sont moins susceptibles d'être repérés par les prédateurs. En supposant que le sol soit d'une nuance de brun assez constante, les souris dont la fourrure est le plus étroitement assortie à cette couleur seront les plus susceptibles de survivre et de se reproduire, transmettant leurs gènes pour leur pelage brun. Les souris qui portent des allèles qui les rendent un peu plus claires ou un peu plus foncées se détacheront du sol et seront plus susceptibles d'être victimes de prédation. À la suite de cette sélection, la variance génétique de la population va diminuer.

Sélection directionnelle

Lorsque l'environnement change, les populations subissent souvent sélection directionnelle (Figure 1b), qui sélectionne les phénotypes à une extrémité du spectre de la variation existante. Un exemple classique de ce type de sélection est l'évolution du papillon poivré dans l'Angleterre des XVIIIe et XIXe siècles. Avant la révolution industrielle, les papillons étaient principalement de couleur claire, ce qui leur permettait de se fondre dans les arbres et les lichens de couleur claire dans leur environnement. Mais à mesure que la suie a commencé à cracher des usines, les arbres se sont assombris et les papillons de couleur claire sont devenus plus faciles à repérer pour les oiseaux prédateurs. Au fil du temps, la fréquence de la forme mélanique du papillon a augmenté parce qu'ils avaient un taux de survie plus élevé dans les habitats affectés par la pollution de l'air parce que leur coloration plus foncée se mélangeait avec les arbres de suie. De même, la population hypothétique de souris peut évoluer pour prendre une coloration différente si quelque chose devait faire changer la couleur du sol de la forêt où elles vivent. Le résultat de ce type de sélection est un déplacement de la variance génétique de la population vers le nouveau phénotype en forme.

En science, on croit parfois que les choses sont vraies, puis de nouvelles informations apparaissent qui changent notre compréhension. L'histoire du papillon poivré en est un exemple : les faits derrière la sélection vers des papillons plus foncés ont récemment été remis en question. Lisez cet article pour en savoir plus.

Sélection diversifiée

Parfois, deux ou plusieurs phénotypes distincts peuvent avoir chacun leurs avantages et être sélectionnés par sélection naturelle, tandis que les phénotypes intermédiaires sont, en moyenne, moins adaptés. Connu sous le nom de sélection diversifiée (figure 1c), cela se voit dans de nombreuses populations d'animaux qui ont plusieurs formes mâles. Les grands mâles dominants obtiennent des partenaires par la force brute, tandis que les petits mâles peuvent se faufiler pour des copulations furtives avec les femelles sur le territoire d'un mâle alpha. Dans ce cas, les mâles alpha et les mâles « furtifs » seront sélectionnés pour, mais les mâles de taille moyenne, qui ne peuvent pas dépasser les mâles alpha et sont trop gros pour les copulations furtives, sont sélectionnés contre. Une sélection diversifiée peut également se produire lorsque les changements environnementaux favorisent les individus à chaque extrémité du spectre phénotypique. Imaginez une population de souris vivant sur la plage où il y a du sable clair entrecoupé de plaques d'herbes hautes. Dans ce scénario, les souris de couleur claire qui se fondent dans le sable seraient favorisées, ainsi que les souris de couleur foncée qui peuvent se cacher dans l'herbe. Les souris de couleur moyenne, en revanche, ne se fondraient ni dans l'herbe ni dans le sable, et seraient donc plus susceptibles d'être mangées par les prédateurs. Le résultat de ce type de sélection est une variance génétique accrue à mesure que la population devient plus diversifiée.

Question de pratique

Ces dernières années, les usines sont devenues plus propres et moins de suie est rejetée dans l'environnement. Quel impact pensez-vous que cela a eu sur la distribution de la couleur des papillons dans la population?

[practice-area rows="2″][/practice-area]
[révéler-réponse q=”173318″]Montrer la réponse[/révéler-réponse]
[hidden-answer a=”173318″]Les papillons de nuit sont devenus plus clairs.[/hidden-answer]

Sélection dépendante de la fréquence

Un autre type de sélection, appelé sélection en fonction de la fréquence, favorise les phénotypes qui sont soit communs (sélection dépendante de la fréquence positive) soit rares (sélection dépendante de la fréquence négative). Un exemple intéressant de ce type de sélection est celui d'un groupe unique de lézards du nord-ouest du Pacifique. Les lézards mâles communs à taches latérales se présentent sous trois motifs de couleur de gorge : orange, bleu et jaune. Chacune de ces formes a une stratégie de reproduction différente : les mâles oranges sont les plus forts et peuvent combattre d'autres mâles pour accéder à leurs femelles ; les mâles bleus sont de taille moyenne et forment de solides liens de couple avec leurs partenaires ; et les mâles jaunes (Figure 2) sont les plus petits, et ressemblent un peu aux femelles, ce qui leur permet de s'accoupler furtivement. Comme un jeu de pierre-papier-ciseaux, l'orange bat le bleu, le bleu bat le jaune et le jaune bat l'orange dans la compétition pour les femmes. C'est-à-dire que les gros mâles oranges forts peuvent combattre les mâles bleus pour s'accoupler avec les femelles bleues liées par paires, les mâles bleus réussissent à protéger leurs compagnons contre les mâles baskets jaunes, et les mâles jaunes peuvent se faufiler les copulations des partenaires potentiels des grands mâles orange polygynes.

Dans ce scénario, les mâles oranges seront favorisés par la sélection naturelle lorsque la population est dominée par les mâles bleus, les mâles bleus prospéreront lorsque la population est principalement composée de mâles jaunes et les mâles jaunes seront sélectionnés lorsque les mâles oranges seront les plus peuplés. En conséquence, les populations de lézards à taches latérales cyclent dans la distribution de ces phénotypes - en une génération, l'orange pourrait être prédominant, puis les mâles jaunes commenceront à augmenter en fréquence. Une fois que les mâles jaunes constitueront la majorité de la population, les mâles bleus seront sélectionnés. Enfin, lorsque les mâles bleus deviendront communs, les mâles oranges seront à nouveau favorisés.

La sélection dépendante de la fréquence négative sert à augmenter la variance génétique de la population en sélectionnant des phénotypes rares, tandis que la sélection dépendante de la fréquence positive diminue généralement la variance génétique en sélectionnant des phénotypes communs.

Sélection sexuelle

Les mâles et les femelles de certaines espèces sont souvent très différents les uns des autres au-delà des organes reproducteurs. Les mâles sont souvent plus gros, par exemple, et affichent de nombreuses couleurs et ornements élaborés, comme la queue du paon, tandis que les femelles ont tendance à être plus petites et plus ternes dans leur décoration. De telles différences sont connues sous le nom de dimorphismes sexuels (Figure 3), qui découlent du fait que dans de nombreuses populations, en particulier les populations animales, il y a plus de variance dans le succès reproducteur des mâles que des femelles. C'est-à-dire que certains mâles - souvent les mâles plus gros, plus forts ou plus décorés - obtiennent la grande majorité des accouplements totaux, tandis que d'autres n'en reçoivent aucun. Cela peut se produire parce que les mâles combattent mieux les autres mâles, ou parce que les femelles choisissent de s'accoupler avec les mâles plus gros ou plus décorés. Dans les deux cas, cette variation du succès reproducteur génère une forte pression de sélection parmi les mâles pour obtenir ces accouplements, entraînant l'évolution d'une plus grande taille corporelle et des ornements élaborés pour attirer l'attention des femelles. Les femelles, en revanche, ont tendance à obtenir une poignée d'accouplements sélectionnés; par conséquent, ils sont plus susceptibles de sélectionner des hommes plus désirables.

Le dimorphisme sexuel varie considérablement d'une espèce à l'autre, bien sûr, et certaines espèces ont même un rôle sexuel inversé. Dans de tels cas, les femelles ont tendance à avoir une plus grande variance dans leur succès de reproduction que les mâles et sont sélectionnées en conséquence pour la plus grande taille corporelle et les traits élaborés généralement caractéristiques des mâles.

Les pressions de sélection sur les mâles et les femelles pour obtenir des accouplements sont connues sous le nom de sélection sexuelle ; cela peut entraîner le développement de caractéristiques sexuelles secondaires qui ne profitent pas aux chances de survie de l'individu mais contribuent à maximiser son succès reproductif. La sélection sexuelle peut être si forte qu'elle sélectionne des traits qui sont en fait préjudiciables à la survie de l'individu. Pensez, encore une fois, à la queue du paon. Bien qu'il soit beau et que le mâle avec la queue la plus grande et la plus colorée ait plus de chances de gagner la femelle, ce n'est pas l'appendice le plus pratique. En plus d'être plus visible pour les prédateurs, cela rend les mâles plus lents dans leurs tentatives d'évasion. Il existe des preuves que ce risque, en fait, est la raison pour laquelle les femelles aiment les grosses queues en premier lieu. La spéculation est que les grandes queues comportent un risque, et seuls les meilleurs mâles survivent à ce risque : plus la queue est grosse, plus le mâle est en forme. Cette idée est connue sous le nom de principe du handicap.

Les hypothèse des bons gènes affirme que les mâles développent ces ornements impressionnants pour montrer leur métabolisme efficace ou leur capacité à lutter contre les maladies. Les femelles choisissent ensuite les mâles aux traits les plus impressionnants car cela signale leur supériorité génétique, qu'elles transmettront ensuite à leur progéniture. Bien que l'on puisse soutenir que les femelles ne devraient pas être pointilleuses car cela réduira probablement leur nombre de descendants, si de meilleurs mâles engendrent une progéniture plus en forme, cela peut être bénéfique. Une progéniture moins nombreuse et en meilleure santé peut augmenter les chances de survie plus que de nombreuses progénitures plus faibles.

Tant dans le principe du handicap que dans l'hypothèse des bons gènes, le trait est dit être un signal honnête de la qualité des mâles, donnant ainsi aux femelles un moyen de trouver les partenaires les plus aptes, des mâles qui transmettront les meilleurs gènes à leur progéniture.

Pas d'organisme parfait

La sélection naturelle est une force motrice de l'évolution et peut générer des populations mieux adaptées pour survivre et se reproduire avec succès dans leur environnement. Mais la sélection naturelle ne peut pas produire l'organisme parfait. La sélection naturelle ne peut sélectionner que sur la variation existante dans la population; il ne crée rien à partir de zéro. Ainsi, il est limité par la variance génétique existante d'une population et par les nouveaux allèles résultant de la mutation et du flux génétique.

La sélection naturelle est également limitée car elle fonctionne au niveau des individus, et non des allèles, et certains allèles sont liés en raison de leur proximité physique dans le génome, ce qui les rend plus susceptibles de se transmettre ensemble (déséquilibre de liaison). Tout individu donné peut porter des allèles bénéfiques et des allèles défavorables. C'est l'effet net de ces allèles, ou l'aptitude de l'organisme, sur lequel la sélection naturelle peut agir. En conséquence, les bons allèles peuvent être perdus s'ils sont portés par des individus qui ont également plusieurs allèles majoritairement mauvais ; de même, les mauvais allèles peuvent être conservés s'ils sont portés par des individus qui ont suffisamment de bons allèles pour entraîner un bénéfice global pour la condition physique.

De plus, la sélection naturelle peut être limitée par les relations entre différents polymorphismes. Une morphe peut conférer une meilleure forme physique qu'une autre, mais ne peut pas augmenter en fréquence en raison du fait que passer du moins bénéfique au plus bénéfique nécessiterait de passer par un phénotype moins bénéfique. Pensez aux souris qui vivent à la plage. Certains sont de couleur claire et se fondent dans le sable, tandis que d'autres sont sombres et se fondent dans les plaques d'herbe. Les souris de couleur foncée peuvent être, dans l'ensemble, plus en forme que les souris de couleur claire, et à première vue, on pourrait s'attendre à ce que les souris de couleur claire soient sélectionnées pour une coloration plus foncée. Mais rappelez-vous que le phénotype intermédiaire, un pelage de couleur moyenne, est très mauvais pour les souris - elles ne peuvent se fondre ni dans le sable ni dans l'herbe et sont plus susceptibles d'être mangées par les prédateurs. En conséquence, les souris de couleur claire ne seraient pas sélectionnées pour une coloration foncée car les individus qui ont commencé à se déplacer dans cette direction (ont commencé à être sélectionnés pour un pelage plus foncé) seraient moins en forme que ceux qui sont restés clairs.

Enfin, il est important de comprendre que toute évolution n'est pas adaptative. Alors que la sélection naturelle sélectionne les individus les plus aptes et aboutit souvent à une population globale plus apte, d'autres forces de l'évolution, y compris la dérive génétique et le flux génétique, font souvent le contraire : introduire des allèles délétères dans le pool génétique de la population. L'évolution n'a pas de but, elle ne transforme pas une population en un idéal préconçu. C'est simplement la somme des différentes forces décrites dans ce chapitre et comment elles influencent la variance génétique et phénotypique d'une population.

Objectifs d'apprentissage

Parce que la sélection naturelle agit pour augmenter la fréquence des allèles et des traits bénéfiques tout en diminuant la fréquence des qualités délétères, il s'agit d'une évolution adaptative. La sélection naturelle agit au niveau de l'individu, en sélectionnant ceux qui ont une meilleure forme physique globale par rapport au reste de la population. Si les phénotypes d'ajustement sont ceux qui sont similaires, la sélection naturelle entraînera une sélection stabilisatrice et une diminution globale de la variation de la population. La sélection directionnelle permet de déplacer la variance d'une population vers un nouveau phénotype adapté, à mesure que les conditions environnementales changent. En revanche, la diversification de la sélection entraîne une augmentation de la variance génétique en sélectionnant deux ou plusieurs phénotypes distincts.

D'autres types de sélection incluent la sélection dépendante de la fréquence, dans laquelle des individus avec des phénotypes communs (sélection dépendante de la fréquence positive) ou rares (sélection dépendante de la fréquence négative) sont sélectionnés. Enfin, la sélection sexuelle résulte du fait qu'un sexe a plus de variance dans le succès reproducteur que l'autre. En conséquence, les mâles et les femelles subissent des pressions sélectives différentes, ce qui peut souvent conduire à l'évolution de différences phénotypiques, ou de dimorphismes sexuels, entre les deux.


Pression sélective - Article de recherche de World of Biology

La pression sélective est tout phénomène qui modifie le comportement et l'aptitude des organismes vivants dans un environnement donné. Elle est la force motrice de l'évolution et de la sélection naturelle, et elle peut être divisée en deux types de pression : biotique ou abiotique.

Les pressions biotiques affectant un organisme sont des organismes vivants au sein du même écosystème qui interagissent avec l'organisme affecté. La pression abiotique est créée par des facteurs non vivants dans l'environnement de l'organisme, tels que la lumière, le vent et le sol. Tous ces facteurs interagissent avec l'organisme pour s'opposer à sa survie continue. Certaines caractéristiques sont mieux adaptées pour survivre dans un ensemble particulier de conditions, et ces conditions sont les pressions sélectives qui déterminent le cours de l'évolution de l'organisme. Une certaine pression sélective est neutre et constitue un exemple de sélection stabilisatrice. D'autres pressions qui influencent le développement d'un organisme sont des exemples de sélection directionnelle et de sélection perturbatrice.


Résumé

L'écologie de la communauté et l'écologie d'invasion se sont pour la plupart développées indépendamment. Il existe un chevauchement substantiel dans les processus capturés par différents modèles dans les deux domaines, et divers cadres ont été développés pour réduire cette redondance et synthétiser le contenu de l'information. Malgré une large reconnaissance du fait que l'écologie de la communauté et de l'invasion sont interconnectées, un cadre basé sur les processus synthétisant des modèles dans ces deux domaines fait défaut. Ici, nous passons en revue 65 modèles de communauté et d'invasion représentatifs et proposons un cadre commun articulé autour de six processus (dispersion, dérive, interactions abiotiques, interactions au sein de la guilde, interactions entre guildes et changements génétiques). Le cadre est conçu pour synthétiser le contenu des deux domaines, fournir une perspective générale sur leur développement et permettre leur comparaison. L'application de ce cadre et d'une nouvelle méthode basée sur la théorie des réseaux révèle un certain manque de cohérence entre les deux domaines, malgré quelques similitudes historiques. Les modèles d'écologie communautaire sont caractérisés par des combinaisons de processus multiples, reflétant probablement la recherche d'une théorie globale pour expliquer l'assemblage et la structure de la communauté, en s'appuyant principalement sur les processus d'interaction, mais aussi en tenant compte en grande partie des autres processus. En revanche, la plupart des modèles en écologie d'invasion invoquent moins de processus et se concentrent davantage sur les interactions entre les espèces introduites et leur nouvel environnement biotique et abiotique. La prédominance historique des processus d'interaction et de leurs développements indépendants dans les deux domaines se reflète également dans le niveau de cohérence inférieur des modèles impliquant des interactions, par rapport aux modèles impliquant la dispersion, la dérive et les changements génétiques. Il semble que l'écologie des communautés, avec une histoire plus longue que l'écologie des invasions, soit passée de la recherche d'explications uniques pour les modèles observés dans la nature à l'étude de la façon dont les processus peuvent interagir mécaniquement, générant et testant ainsi des hypothèses. Notre cadre ouvre la voie à une transition similaire dans l'écologie de l'invasion, pour mieux capturer la dynamique de plusieurs espèces exotiques introduites dans des communautés complexes. Réciproquement, l'application des connaissances de l'invasion à l'écologie des communautés nous aidera à comprendre et à prédire l'avenir des communautés écologiques de l'Anthropocène, dans lequel les activités humaines affaiblissent les frontières naturelles des espèces. En fin de compte, l'intégration réussie des deux domaines pourrait faire avancer une écologie prédictive qui est requise de toute urgence dans un monde en évolution rapide.


Travaux pratiques pour l'apprentissage

Manifestation

Le cas des escargots bagués – Cepaea nemoralis et Cepaea hortensis – est un exemple bien connu de sélection naturelle. L'adaptation des populations d'espèces de cet escargot dans différentes conditions environnementales est utilisée comme étude de cas pour l'évolution en action. Les enseignants peuvent utiliser Cepaea pour encourager la discussion sur la façon dont les espèces changent et pour clarifier les malentendus sur les processus naturels conduisant au changement des espèces.

Organisation de cours

Distribuez les feuilles et discutez des données présentées.

Si vous suivez le protocole Evolution Megalab, collectez des escargots pour les étudier en une leçon et entraînez-vous à utiliser les clés du laboratoire (avec la vidéo à l'appui), puis collectez des escargots dans une leçon suivante et soumettez les données au site. Passez une autre leçon, ou une allocation de devoirs, en regardant les nombreuses données sur le site Evolution Megalab.

Appareils et produits chimiques

Pour chaque groupe d'élèves :

Clé des escargots bagués et fiche d'enregistrement (si vous suivez le protocole Evolution Megalab)

Santé et sécurité et notes techniques

Si vous enquêtez sur des escargots dans la nature, effectuez une évaluation complète des risques pour les travaux à l'extérieur et observez les précautions d'hygiène appropriées après avoir manipulé des escargots.

Questions éthiques

Les enseignants doivent veiller à présenter les escargots d'une manière qui favorise une bonne attitude éthique envers eux et non simplement instrumentale. Bien qu'il s'agisse de simples organismes qui peuvent ne pas « souffrir » de la même manière que les animaux supérieurs, ils méritent tout de même le respect. Les animaux doivent être remis rapidement dans leur environnement naturel ou dans un bac de rétention approprié après avoir été identifiés et comptés. Cela soutient les approches éthiques dans le travail sur le terrain où les animaux sont renvoyés dans leur habitat après que des observations ont été faites.

Procédure

Enquête

une Pensez aux données sur la couleur de la coquille recueillies au cours de différents mois sur l'enclume d'une grive particulière dans un bois près d'Oxford.

b Étudiez le graphique des pourcentages d'escargots jaunes et d'escargots à une ou plusieurs bandes, sur la base d'observations faites dans différents habitats.

c Répondez aux questions et évaluez ce que ces informations suggèrent sur la sélection naturelle.

Notes pédagogiques

Les grives écrasent les escargots sur des pierres particulières (appelées « enclumes ») pour ouvrir la coquille et libérer le corps mou de l'escargot pour qu'il puisse manger. La collecte de coquilles d'escargots sur l'enclume d'une grive permet de connaître la proportion d'escargots de couleurs et de motifs différents que la grive a trouvés et mangés à différents moments de l'année.

Coquillages ramassés qui étaient jaunes (%)

Les données montrent que, au cours d'une année donnée, 42 % des coquillages collectés étaient jaunes en avril, alors que 22 % des coquillages collectés étaient jaunes en juin. Les coquilles d'escargots jaunes sans bandes semblent mieux camouflées contre l'herbe et les feuilles nouvelles au printemps (avril). Les coquillages sans bandes ou une seule bande sont plus fréquents dans les bois, et les coquillages avec plusieurs bandes sont plus fréquents dans les prairies et les haies. Le pourcentage d'escargots jaunes est plus élevé dans les haies et les prairies. L'implication de ceci est que, si la quantité de forêt diminuait, le nombre d'escargots jaunes augmenterait.

Les escargots bagués présentent des variations importantes. Sur la droite se trouvent les quatre premiers escargots qui sont tombés sous la main dans un jardin au Pays de Galles en octobre 2009.

Au moins trois pressions sélectives pourraient agir sur cette population. La couleur et le degré de bandes ont une influence sur le camouflage dans différents habitats. Cela signifie que les caractéristiques de la population peuvent changer à mesure que les humains modifient l'environnement, par exemple en défrichant des bois. L'un des principaux prédateurs de ces espèces est le muguet, qui sélectionnera préférentiellement ceux qu'il peut voir facilement. Les populations de grives ont considérablement diminué au cours des dernières années, ce qui signifie que les effets positifs de certains motifs de camouflage peuvent être atténués. Plus les coquilles sont foncées, plus les escargots se réchauffent rapidement à la lumière du jour. Les escargots plus chauds seront plus actifs et peuvent avoir un avantage pour trouver de la nourriture. Si le climat britannique est devenu nettement plus chaud dans l'ensemble, cela peut être moins avantageux aujourd'hui qu'il ne l'était il y a quelques décennies.

Santé et sécurité vérifiées, octobre 2009

Téléchargements

Téléchargez une fiche élève Sélection en action – escargots bagués (187 Ko) avec questions et réponses.

Liens web

www.evolutionmegalab.org
Ce projet coordonne une enquête sur les escargots bagués au Royaume-Uni. Il fournit des informations générales sur les escargots, une vidéo pour montrer comment collecter et identifier les escargots dans votre région, des clés pour permettre une identification précise des différentes variétés de Cepaea, et des fiches d'enregistrement sur lesquelles rassembler vos découvertes. Evolution Megalab essaie de savoir si les couleurs et les bandes des coquilles changent là où il y a moins de grives, et si les couleurs des coquilles changent avec le réchauffement climatique. Si vous vous inscrivez pour participer au projet, vos données seront rassemblées avec les données des autres participants.

(Site Internet consulté en octobre 2011)

© 2019, Royal Society of Biology, 1 Naoroji Street, Londres WC1X 0GB Enregistré Charité No. 277981, Incorporé par Royal Charter


Flux de gènes

Figure 4. Le flux de gènes peut se produire lorsqu'un individu se déplace d'un emplacement géographique à un autre.

Une autre force évolutive importante est le flux de gènes : le flux d'allèles entrant et sortant d'une population en raison de la migration d'individus ou de gamètes (Figure 4). Alors que certaines populations sont assez stables, d'autres connaissent plus de flux. De nombreuses plantes, par exemple, envoient leur pollen au loin, par le vent ou par les oiseaux, pour polliniser d'autres populations de la même espèce à une certaine distance. Même une population qui peut initialement sembler stable, comme une troupe de lions, peut connaître sa juste part d'immigration et d'émigration alors que les mâles en développement quittent leur mère pour rechercher une nouvelle fierté avec des femelles génétiquement non apparentées. Ce flux variable d'individus entrant et sortant du groupe modifie non seulement la structure génétique de la population, mais il peut également introduire de nouvelles variations génétiques dans les populations dans différents lieux géologiques et habitats.


12.2 : Pressions sélectives et environnementales - Biologie

Les plantes ont façonné notre forme de vie humaine depuis le début. Avec la reconnaissance émergente de l'alimentation de la population mondiale, du changement climatique mondial et des ressources énergétiques limitées en combustibles fossiles, la pertinence de la biologie végétale et de la biotechnologie devient extrêmement importante. Un problème clé est d'améliorer la productivité des plantes et la résistance aux stress abiotiques/biotiques en agriculture en raison de la superficie restreinte des terres et des pressions environnementales croissantes. Un autre aspect est le développement du CO2-ressources végétales neutres pour la fibre/la biomasse et les biocarburants : une transition des plantes de première génération comme la canne à sucre, le maïs et d'autres cultures nutritionnelles importantes vers les cultures énergétiques de deuxième et troisième génération telles que Miscanthus et des arbres pour la lignocellulose et des algues pour la biomasse et l'alimentation, la production d'hydrogène et de lipides. En même temps, nous devons conserver et protéger la diversité naturelle et la richesse des espèces en tant que fondement de notre vie sur terre. Ici, les banques de biodiversité sont discutées en tant que fondement de la recherche actuelle et future en matière de sélection végétale. Par conséquent, on peut s'attendre à ce que la biologie végétale et l'écologie jouent un rôle futur plus indispensable dans tous les aspects socio-économiques de notre vie que jamais auparavant. Nous avons donc besoin d'une compréhension approfondie de la physiologie des espèces végétales individuelles pour des applications pratiques ainsi que la traduction de ces connaissances dans des écosystèmes naturels et anthropiques complexes. Les derniers développements de la recherche biologique et bioanalytique conduiront à un changement de paradigme pour essayer de comprendre les organismes au niveau des systèmes et dans leur contexte écosystémique : (i) séquençage du génome et de nouvelle génération, reconstruction et annotation des gènes, (ii) à l'échelle du génome l'analyse moléculaire à l'aide des technologies OMICS et (iii) l'analyse, la modélisation et l'interprétation assistées par ordinateur des données biologiques. La biologie des systèmes combine ces données moléculaires, l'évolution génétique, les signaux environnementaux et l'interaction des espèces avec la compréhension, la modélisation et la prédiction de réseaux biochimiques actifs jusqu'à des populations d'espèces entières. Ce processus repose sur le développement de nouvelles technologies pour l'analyse des données moléculaires, notamment les données génomiques, métabolomiques et protéomiques. L'objectif ambitieux de ces technologies « omiques » non ciblées est d'étendre notre compréhension au-delà de l'analyse de parties séparées du système, contrairement aux approches réductionnistes traditionnelles fondées sur des hypothèses. L'intégration conséquente du génotypage, du phéno/morphotypage et de l'analyse du phénotype moléculaire à l'aide de la métabolomique, de la protéomique et de la transcriptomique révélera une nouvelle compréhension du métabolisme des plantes et de son interaction avec l'environnement. L'analyse de systèmes modèles uniques – plantes, champignons, animaux et bactéries – émergera enfin dans l'analyse des populations de plantes et autres organismes et leur adaptation à la niche écologique. En parallèle, cette nouvelle compréhension de l'écophysiologie se traduira par des approches fondées sur les connaissances en biotechnologie des plantes cultivées et des approches de sélection assistée par marqueurs ou génomes. Dans cette revue, les fondements de la biologie des systèmes verts sont décrits et les applications dans la recherche sur les écosystèmes sont présentées. L'échange de connaissances sur la recherche sur les écosystèmes et la biotechnologie verte fusionnant dans la biologie des systèmes verts est prévu sur la base des principes de variation naturelle, de biodiversité et de la relation environnement génotype-phénotype en tant que moteurs fondamentaux de l'écologie et de l'évolution.


#139 Sélection naturelle

Les populations d'organismes ont le potentiel de produire un grand nombre de descendants, mais leur nombre reste assez constant année après année.


La sélection naturelle se produit car les populations ont la capacité de produire de nombreux descendants --> rivaliser pour les ressources --> individus le mieux adapté pour survivre à la race et transmettre leur allèles .
Variation signifie que certains individus d'une population auront des caractéristiques qui leur donnent une avantage dans la « lutte pour l'existence ».

Facteurs environnementaux
- biotique : causé par d'autres organismes
ex. : prédation, compétition alimentaire, infection par des agents pathogènes
- abiotique : causée par des composants non vivants de l'environnement
ex. : alimentation en eau, teneur en éléments nutritifs du sol

Pressions de sélection contrôler les chances que certains allèles soient transmis à la génération suivante.
ex : prédateurs - les individus qui peuvent mieux se camoufler survivent plus, transmettent des allèles
Les effets de telles pressions de sélection sur la fréquence des allèles dans une population sont appelés sélection naturelle . La fréquence des allèles avantageux augmente, la fréquence des allèles désavantageux diminue.

Types de sélection
Sélection stabilisatrice: le statu quo est maintenu car les organismes sont déjà bien adaptés à leur environnement
- actes contre les extrêmes
- favorise l'environnement
- ex : poids de naissance


Sélection directionnelle: les variétés les plus courantes d'un organisme sont sélectionnées contre --> changement dans les caractéristiques de la population
- favorise les variantes de 1 extrême lorsqu'un nouvel allèle apparaît ou qu'un nouveau facteur environnemental apparaît
- ex : papillons poivrés

Sélection perturbatrice: favorise la survie des individus à 2 points différents dans la plage de variation, résultant en 2 phénotypes différents
- les conditions favorisent les deux extrêmes --> maintenir différents phénotypes dans la population
- ex : pinsons des Galapagos

Dérive génétique
- une changement de fréquence allélique d'une petite population
- se produit par hasard, car seuls certains des organismes de chaque génération se reproduisent.
L'effet fondateur se produit dans de petites populations isolées
- les résultats de la la colonisation d'un nouvel emplacement par un petit nombre d'individus
- une dérive génétique supplémentaire se produit dans la petite population
- l'évolution de cette population peut prendre une direction différente de celle de la population plus large


Le principe de Hardy-Weinberg
- lorsqu'un trait phénotypique particulier est contrôlé par 2 allèles d'un même gène A/a
- génotypes : AA, Aa, aa
- calculer la proportion de ces génotypes dans une grande population d'accouplement aléatoire


Sélection naturelle

Darwin et Descente avec Modification

Figure 1. Darwin a observé que la forme du bec varie selon les espèces de pinsons. Il a postulé que le bec d'une espèce ancestrale s'était adapté au fil du temps pour équiper les pinsons afin d'acquérir différentes sources de nourriture.

Charles Darwin est surtout connu pour sa découverte de la sélection naturelle. Au milieu du XIXe siècle, le mécanisme réel de l'évolution a été indépendamment conçu et décrit par deux naturalistes : Charles Darwin et Alfred Russel Wallace. Surtout, chaque naturaliste a passé du temps à explorer le monde naturel lors d'expéditions sous les tropiques. De 1831 à 1836, Darwin a voyagé à travers le monde sur H.M.S. Beagle, y compris des arrêts en Amérique du Sud, en Australie et à la pointe sud de l'Afrique. Wallace s'est rendu au Brésil pour collecter des insectes dans la forêt amazonienne de 1848 à 1852 et dans l'archipel malais de 1854 à 1862. Le voyage de Darwin, comme les voyages ultérieurs de Wallace dans l'archipel malais, comprenait des arrêts dans plusieurs chaînes d'îles, le dernier étant les îles Galápagos à l'ouest de l'Équateur. Sur ces îles, Darwin a observé des espèces d'organismes sur différentes îles qui étaient clairement similaires, mais qui présentaient des différences distinctes. Par exemple, les pinsons terrestres habitant les îles Galápagos comprenaient plusieurs espèces avec une forme de bec unique (Figure 1).

Les espèces sur les îles avaient une série graduée de tailles et de formes de bec avec de très petites différences entre les plus similaires. Il a observé que ces pinsons ressemblaient beaucoup à une autre espèce de pinson du continent sud-américain. Darwin a imaginé que les espèces insulaires pourraient être des espèces modifiées à partir de l'une des espèces continentales d'origine. Après une étude plus approfondie, il s'est rendu compte que les becs variés de chaque pinson aidaient les oiseaux à acquérir un type de nourriture spécifique. Par exemple, les pinsons mangeurs de graines avaient des becs plus forts et plus épais pour casser les graines, et les pinsons mangeurs d'insectes avaient des becs en forme de lance pour poignarder leurs proies.

Wallace et Darwin ont tous deux observé des schémas similaires chez d'autres organismes et ils ont indépendamment développé la même explication pour expliquer comment et pourquoi de tels changements pouvaient avoir lieu. Darwin a appelé ce mécanisme la sélection naturelle. Sélection naturelle, également connu sous le nom de « survie du plus apte », est la reproduction la plus prolifique d'individus présentant des traits favorables qui survivent aux changements environnementaux en raison de ces traits qui conduisent à un changement évolutif.

Par exemple, une population de tortues géantes trouvées dans l'archipel des Galapagos a été observée par Darwin pour avoir des cous plus longs que ceux qui vivaient sur d'autres îles avec des plaines sèches. Ces tortues ont été « sélectionnées » car elles pouvaient atteindre plus de feuilles et accéder à plus de nourriture que celles à cou court. En période de sécheresse, lorsque moins de feuilles seraient disponibles, celles qui pouvaient atteindre plus de feuilles avaient de meilleures chances de manger et de survivre que celles qui ne pouvaient pas atteindre la source de nourriture. Par conséquent, les tortues à long cou auraient plus de chances de réussir leur reproduction et de transmettre le trait à long cou à leur progéniture. Au fil du temps, seules les tortues à long cou seraient présentes dans la population.

La sélection naturelle, selon Darwin, était le résultat inévitable de trois principes qui opéraient dans la nature. Premièrement, la plupart des caractéristiques des organismes sont héritées ou transmises des parents à la progéniture. Bien que personne, y compris Darwin et Wallace, ne sache comment cela s'est produit à l'époque, c'était une compréhension commune. Deuxièmement, plus de progénitures sont produites qu'elles ne peuvent survivre, de sorte que les ressources pour la survie et la reproduction sont limitées. La capacité de reproduction de tous les organismes dépasse la disponibilité des ressources pour soutenir leur nombre. Ainsi, il y a concurrence pour ces ressources à chaque génération. La compréhension de ce principe par Darwin et Wallace est venue de la lecture d'un essai de l'économiste Thomas Malthus qui a discuté de ce principe en relation avec les populations humaines. Troisièmement, les descendants varient entre eux en ce qui concerne leurs caractéristiques et ces variations sont héritées. Darwin et Wallace ont estimé que la progéniture avec des caractéristiques héritées qui leur permettent de mieux rivaliser pour des ressources limitées survivra et aura plus de progéniture que les individus avec des variations qui sont moins capables de rivaliser. Parce que les caractéristiques sont héritées, ces traits seront mieux représentés dans la prochaine génération. Cela conduira à un changement dans les populations au fil des générations dans un processus que Darwin a appelé descendance avec modification. En fin de compte, la sélection naturelle conduit à une plus grande adaptation de la population à son environnement local, c'est le seul mécanisme connu pour l'évolution adaptative.

Les articles de Darwin et Wallace (Figure 2) présentant l'idée de sélection naturelle ont été lus ensemble en 1858 devant la Linnean Society à Londres. L'année suivante, le livre de Darwin, À propos de l'origine des espèces, a été publié. Son livre décrit en détail ses arguments en faveur des changements graduels et de la survie adaptative par sélection naturelle.

Figure 2. (a) Charles Darwin et (b) Alfred Wallace ont écrit des articles scientifiques sur la sélection naturelle qui ont été présentés ensemble devant la Linnean Society en 1858.

Les démonstrations d'évolution par sélection naturelle prennent du temps et sont difficiles à obtenir. L'un des meilleurs exemples a été démontré chez les oiseaux mêmes qui ont contribué à inspirer la théorie de Darwin : les pinsons des Galápagos. Peter et Rosemary Grant et leurs collègues ont étudié les populations de pinsons des Galápagos chaque année depuis 1976 et ont fourni d'importantes démonstrations de sélection naturelle. Les Grant ont constaté des changements d'une génération à l'autre dans la distribution des formes de bec chez le pinson terrestre moyen sur l'île Galápagos de Daphne Major. Les oiseaux ont hérité de la variation de la forme du bec, certains oiseaux ayant un bec large et profond et d'autres un bec plus fin. Pendant une période où les précipitations étaient plus élevées que la normale à cause d'un El Niño, les grosses graines dures que mangeaient les oiseaux à gros bec ont été réduites en nombre, cependant, il y avait une abondance de petites graines molles que les oiseaux à petit bec mangeaient. Par conséquent, la survie et la reproduction étaient bien meilleures les années suivantes pour les oiseaux à petit bec. Dans les années qui ont suivi cet El Niño, les Grant ont mesuré la taille du bec de la population et ont constaté que la taille moyenne du bec était plus petite. Étant donné que la taille du bec est un trait héréditaire, les parents avec des becs plus petits avaient plus de descendants et la taille des becs avait évolué pour être plus petite. À mesure que les conditions s'amélioraient en 1987 et que les graines plus grosses devenaient plus disponibles, la tendance à la réduction de la taille moyenne du bec s'est arrêtée.


Biocapteurs : caractéristiques, principe et types (avec diagramme)

Un biocapteur est un dispositif analytique contenant un matériel biologique immobilisé (enzyme, anticorps, acide nucléique, hormone, organite ou cellule entière) qui peut spécifiquement interagir avec un analyte et produire des signaux physiques, chimiques ou électriques qui peuvent être mesurés. Un analyte est un composé (par exemple glucose, urée, médicament, pesticide) dont la concentration doit être mesurée.

Les biocapteurs impliquent essentiellement l'analyse quantitative de diverses substances en convertissant leurs actions biologiques en signaux mesurables. Une grande majorité de biocapteurs ont des enzymes immobilisées. Les performances des biocapteurs dépendent principalement de la spécificité et de la sensibilité de la réaction biologique, en plus de la stabilité de l'enzyme.

Caractéristiques générales des biocapteurs:

Un biocapteur a deux composants distincts (Fig. 21.13).

1. Composant biologique—enzyme, cellule, etc.

2. Composant physique—transducteur, amplificateur, etc.

Le composant biologique reconnaît et interagit avec l'analyte pour produire un changement physique (un signal) qui peut être détecté par le transducteur. En pratique, le matériel biologique est immobilisé de manière appropriée sur le transducteur et les biocapteurs ainsi préparés peuvent être utilisés de manière répétée plusieurs fois (peut être environ 10 000 fois) pendant une longue période (plusieurs mois).

Principe d'un biocapteur:

Le matériel biologique souhaité (généralement une enzyme spécifique) est immobilisé par des méthodes conventionnelles (piégeage physique ou membranaire, liaison non covalente ou covalente). Ce matériel biologique immobilisé est en contact intime avec le transducteur. L'analyte se lie au matériel biologique pour former un analyte lié qui produit à son tour la réponse électronique qui peut être mesurée.

Dans certains cas, l'analyte est converti en un produit qui peut être associé à la libération de chaleur, de gaz (oxygène), d'électrons ou d'ions hydrogène. Le transducteur peut convertir les changements liés au produit en signaux électriques qui peuvent être amplifiés et mesurés.

Types de biocapteurs:

Il existe plusieurs types de biocapteurs en fonction des dispositifs de détection et du type de matériel biologique utilisé. Quelques-uns d'entre eux sont examinés ci-dessous.

Biocapteurs électrochimiques:

Les biocapteurs électrochimiques sont des dispositifs simples basés sur les mesures des changements de courant électrique, ionique ou de conductance effectuées par des bioélectrodes.

Biocapteurs ampérométriques:

Ces biocapteurs sont basés sur le mouvement des électrons (c'est-à-dire la détermination du courant électrique) à la suite de réactions redox catalysées par des enzymes. Normalement, une tension constante passe entre les électrodes qui peut être déterminée. Dans une réaction enzymatique qui se produit, le substrat ou le produit peut transférer un électron avec la surface de l'électrode à oxyder ou à réduire (Fig. 21.14).

Il en résulte un flux de courant altéré qui peut être mesuré. L'amplitude du courant est proportionnelle à la concentration du substrat. Électrode à oxygène Clark qui détermine la réduction de O2, est la forme la plus simple de biocapteur ampérométrique. La détermination du glucose par la glucose oxydase en est un bon exemple.

Dans les biocapteurs ampérométriques de première génération (décrits ci-dessus), il y a un transfert direct des électrons libérés vers l'électrode qui peut poser quelques difficultés pratiques. Des biocapteurs ampérométriques de deuxième génération ont été développés dans lesquels un médiateur (par exemple des ferrocènes) capte les électrons et les transfère ensuite à l'électrode. Cependant, ces biocapteurs ne sont pas encore devenus populaires.

Biocapteur de glycémie :

C'est un bon exemple de biocapteurs ampérométriques, largement utilisés dans le monde entier par les patients diabétiques. Le biocapteur de glycémie ressemble à un stylo de montre et possède une électrode jetable à usage unique (constituée d'une électrode de référence Ag/AgCI et d'une électrode de travail au carbone) avec de la glucose oxydase et un dérivé du ferrocène (comme médiateur). Les électrodes sont recouvertes de gaze à mailles hydrophile pour une diffusion uniforme d'une goutte de sang. Les bandelettes de test jetables, scellées dans du papier d'aluminium, ont une durée de conservation d'environ six mois.

Un biocapteur ampérométrique pour évaluer la fraîcheur du poisson a été développé. L'accumulation d'ionosine et d'hypoxanthine par rapport aux autres nucléotides indique la fraîcheur du poisson - combien de temps mort et stocké. Un biocapteur utilisant une nucléoside phosphorylase et une xanthine oxydase immobilisées sur une électrode a été développé à cette fin.

Biocapteurs potentiométriques:

Dans ces biocapteurs, les modifications des concentrations ioniques sont déterminées à l'aide d'électrodes sélectives d'ions (Fig. 21.15). L'électrode de pH est l'électrode sélective d'ions la plus couramment utilisée, car de nombreuses réactions enzymatiques impliquent la libération ou l'absorption d'ions hydrogène. Les autres électrodes importantes sont sélectives pour l'ammoniac et le CO2 électrodes sélectives.

La différence de potentiel obtenue entre l'électrode potentiométrique et l'électrode de référence peut être mesurée. Elle est proportionnelle à la concentration du substrat. La limitation majeure des biocapteurs potentiométriques est la sensibilité des enzymes aux concentrations ioniques telles que H + et NH + 4.

Les transistors à effet de champ à sélectivité ionique (ISFET) sont des dispositifs à faible coût qui peuvent être utilisés pour la miniaturisation des biocapteurs potentiométriques. Un bon exemple est un biocapteur ISFET utilisé pour surveiller le pH intra-myocardique pendant une chirurgie à cœur ouvert.

Conduire des biocapteurs métriques:

Il existe plusieurs réactions dans les systèmes biologiques qui entraînent des changements dans les espèces ioniques. Ces espèces ioniques altèrent la conductivité électrique qui peut être mesurée. Un bon exemple de biocapteur métrique de conduite est le biocapteur d'urée utilisant de l'uréase immobilisée. L'uréase catalyse la réaction suivante.

La réaction ci-dessus est associée à une modification drastique de la concentration ionique qui peut être utilisée pour surveiller la concentration en urée. En fait, les biocapteurs d'urée sont utilisés avec beaucoup de succès pendant la dialyse et la chirurgie rénale.

Biocapteurs thermométriques:

Plusieurs réactions biologiques sont associées à la production de chaleur et cela constitue la base des biocapteurs thermométriques. Ils sont plus communément appelés biocapteurs thermiques ou biocapteurs calorimétriques. Une représentation schématique d'un biocapteur thermique est illustrée à la Fig. 21.16. Il se compose d'un caisson calorifugé équipé d'un échangeur de chaleur (cylindre en aluminium).

La réaction a lieu dans un petit réacteur à lit garni d'enzymes. Lorsque le substrat pénètre dans le lit, il est converti en un produit et de la chaleur est générée. La différence de température entre le substrat et le produit est mesurée par des thermistances. Même un petit changement de température peut être détecté par des biocapteurs thermiques.

Les biocapteurs thermométriques sont utilisés pour l'estimation du cholestérol sérique. Lorsque le cholestérol est oxydé par l'enzyme cholestérol oxydase, de la chaleur est générée et peut être mesurée. De même, des estimations de glucose (enzyme-glucose oxydase), d'urée (enzyme-uréase), d'acide urique (enzyme-uricase) et de pénicilline G (enzyme-P lactamase) peuvent être effectuées par ces biocapteurs. En général, leur utilité est cependant limitée. Les biocapteurs thermométriques peuvent être utilisés dans le cadre d'un dosage immunoenzymatique (ELISA) et la nouvelle technique est appelée ELISA thermométrique (TELISA).

Biocapteurs optiques:

Les biocapteurs optiques sont les appareils qui utilisent le principe des mesures optiques (absorbance, fluorescence, chimiluminescence etc.). Ils utilisent des fibres optiques et des transducteurs optoélectroniques. Le mot optrode, représentant une condensation des mots optique et électrode est couramment utilisé. Les biocapteurs optiques impliquent principalement des enzymes et des anticorps comme éléments de transduction.

Les biocapteurs optiques permettent une télédétection non électrique sûre des matériaux. Un autre avantage est que ces biocapteurs ne nécessitent généralement pas de capteurs de référence, car le signal comparatif peut être généré en utilisant la même source de lumière que le capteur d'échantillonnage. Certains des biocapteurs optiques importants sont brièvement décrits ci-dessous.

Biocapteur de lactate à fibre optique:

La figure 21.17 représente le biocapteur de lactate à fibre optique. Son fonctionnement est basé sur la mesure des variations de l'O moléculaire2 concentration en déterminant l'effet d'extinction de O2 sur un colorant fluorescent. La réaction suivante est catalysée par l'enzyme lactate mono-oxygénase.

La quantité de fluorescence générée par le film teint dépend de l'O2. C'est parce que O2 a un effet d'extinction (réduction) sur la fluorescence. Lorsque la concentration de lactate dans le mélange réactionnel augmente, O2 est utilisé, et par conséquent il y a une diminution proportionnelle de l'effet de trempe. Le résultat est qu'il y a une augmentation de la sortie fluorescente qui peut être mesurée.

Biocapteurs optiques pour la glycémie:

L'estimation de la glycémie est très importante pour la surveillance du diabète. Une technique simple impliquant des bandes de papier imprégnées de réactifs est utilisée à cet effet. Les bandelettes contiennent de la glucose oxydase, de la peroxydase de raifort et un chromogène (par exemple la toluidine). Les réactions suivantes se produisent.

L'intensité de la couleur du colorant peut être mesurée à l'aide d'un réflectomètre portable. La production de bandes de glucose est une très grande industrie dans le monde entier.

Colorimetric test strips of cellulose coated with appropriate enzymes and reagents are in use for the estimation of several blood and urine parameters.

Luminescent biosensors to detect urinary infections:

The microorganisms in the urine, causing urinary tract infections, can be detected by employing luminescent biosensors. For this purpose, the immobilized (or even free) enzyme namely luciferase is used. The microorganisms, on lysis release ATP which can be detected by the following reaction. The quantity of light output can be measured by electronic devices.

Other Optical Biosensors:

Optical fibre sensing devices are in use for measuring pH, pCO2 and pO2 in critical care, and surgical monitoring.

Piezoelectric Biosensors:

Piezoelectric biosensors are based on the principle of acoustics (sound vibrations), hence they are also called as acoustic biosensors. Piezoelectric crystals form the basis of these biosensors. The crystals with positive and negative charges vibrate with characteristic frequencies. Adsorption of certain molecules on the crystal surface alters the resonance frequencies which can be measured by electronic devices. Enzymes with gaseous substrates or inhibitors can also be attached to these crystals.

A piezoelectric biosensor for organophosphorus insecticide has been developed incorporating acetylcholine esterase. Likewise, a biosensor for formaldehyde has been developed by incorporating formaldehyde dehydrogenase. A biosensor for cocaine in gas phase has been created by attaching cocaine antibodies to the surface of piezoelectric crystal.

Limitations of Piezoelectric Biosensors:

It is very difficult to use these biosensors to determine substances in solution. This is because the crystals may cease to oscillate completely in viscous liquids.

Whole Cell Biosensors:

Whole cell biosensors are particularly useful for multi-step or cofactor requiring reactions. These biosensors may employ live or dead microbial cells. A selected list of some organisms along with the analytes and the types of biosensors used is given in Table 21.8

Advantages of microbial cell biosensors:

The microbial cells are cheaper with longer half-lives. Further, they are less sensitive to variations in pH and temperature compared to isolated enzymes.

Limitations of microbial cell biosensors:

The whole cells, in general, require longer periods for catalysis. In addition, the specificity and sensitivity of whole cell biosensors may be lower compared to that of enzymes.

Immuno-Biosensors:

Immuno-biosensors or immunochemical bio­sensors work on the principle of immunological specificity, coupled with measurement (mostly) based on amperometric or potentiometric bio­sensors. There are several possible configurations for immuno-biosensors and some of them are depicted in Fig. 21.18, and briefly described hereunder.

1. An immobilized antibody to which antigen can directly bind (Fig. 21.18A).

2. An immobilized antigen that binds to antibody which in turn can bind to a free second antigen (Fig. 21.18B).

3. An antibody bound to immobilized antigen which can be partially released by competing with free antigen (Fig. 21.18C).

4. An immobilized antibody binding free antigen and enzyme labeled antigen in competition (Fig. 21.18D).

For the biosensors 1-3, piezoelectric devices can be used. The immuno-biosensors using enzymes (4 above, Fig. 21.18D) are the most commonly used. These biosensors employ thermometric or amperometric devices. The activity of the enzymes bound to immuno-biosensors is dependent on the relative concentrations of the labeled and unlabeled antigens. The concentration of the unlabeled antigen can be determined by assaying the enzyme activity.


The Making of the Fittest: Natural Selection and Adaptation

1. Is the following statement true or false? Justify your answer in one or two sentences: “The appearance of dark-colored volcanic rock caused the mutation for black fur to appear in the rock pocket mouse population.” This is false because the pocket rock mice adapted to the black rock by breeding with the randomly mutated black genes.

2. Near the end of the video, Dr. Sean Carroll states that “While mutation is random, natural selection is not.” In your own words, explain how this is possible. This is accurate as widespread mutations can originate from singular gene mutations, however, if this mutation is beneficial to the environment and survival then the gene will spread to the population further and become a more prominent trait.

3. You are studying a recently discovered population of rock pocket mice with dark-colored fur that lives on a volcanic rock. You take a DNA sample from a member of this new population and determine the DNA sequence of a gene known to play a role in fur color. The sequence you get is identical to that of the same gene in another rock pocket mouse population with dark-colored fur that lives on a different patch of volcanic rock. Which of the following could explain this observation?

(a) The mice in the two populations evolved from the same ancestral population.

(b) The volcanic rock caused the same mutation in each rock pocket mouse population, resulting in dark coloration.

(c) The same mutation spontaneously arose in the two different populations.

(d) Both a) and c) are possible.

(e) All of the above are possible.

4. You are studying a new population of rock pocket mice in Arizona. These mice live on a recently discovered patch of dark-colored volcanic rock. This environment does not have nearly as many visual predators as in previously studied areas in New Mexico. You observed the following numbers of light- and dark-colored mice on this new patch of rock:

a) In one or two sentences, summarize the data presented in the graph.

The population of light mice has been inconsistently falling and rising while the population of dark mice has stayed consistent throughout the presented years. However, the population has remained approximatley the same.

b) Provide one possible hypothesis that would explain the observed data. Be sure to include the following keywords in your answer: selection (or selective), fitness (or fit), survival (or survive). The selective nature of the survival of the dark mice is constant as on the rock, the trait of dark fur is fit for the best survival over the light colored mice, however, when visual predators are decreased then the populations remain equallt fit.

5. You next decide to move 160 of these newly discovered light-colored rock pocket mice from Arizona to a colony in New Mexico (Graph A) that also lives on the dark-colored volcanic rock. You also move 160 dark-colored mice from the New Mexico colony to the Arizona colony (Graph B). You monitor the populations for five years and observe the following:

a) In one or two sentences, summarize the data presented in the graphs above.

In Graph A the data shows that dark mice have had a positive increase of population in New Mexico in comparison to the population of light colored mice. In Graph B the population of dark-colored mice has consistently stayed larger than the light colored population in Arizona.

b)Provide an explanation for these observations. Be sure to include the following keywords in your answer: selection (or selective), fitness (or fit), survival (or survive). These observations of mice on dark, volcanic rock in separate environments are an example of how dark-colored mice have been bred selectively as the fittest example of survival when visual predators are present. In Graph A this is present as balck mice eventually overtake the light mice based on visual predators hunting patterns. However, in Graph B fur plays no dominance on mortality rates of mice populations.

6. Prior to your experiment above, you take a DNA sample from one dark-colored mouse in each population and sequence a gene known to play a role in making mice dark colored. You discover that the dark-colored mice from Arizona have a different allele of this gene than the dark-colored mice from New Mexico. Comment est-ce possible? This difference in allele is a result of the fact that separate genes are able to modify the color of fur and that separate populations of mice have developed separate genes to modify. In short, there is more than one mutation that results in dark fur.

7. CONSIDER: How would you design an experiment to test which population of dark-colored mice is more evolutionarily fit in an environment of your choice? You may want to use the above experiments as a guide. Be sure to state your hypothesis, as well as what type of data you will record.

I would design an experiment that would test the mice’s ability to find safety based completely on their ability to use their given useful camouflage to hide from predators. I would do this by placing both populations in an environment which was separated into a third of dark, rocky and mountainous terrain, a third light and sandy strip, and a third sandy dark flat area. By dumping these two populations in the middle (the light sandy area) and introducing an airbron predator one can gather what population is more likely to survive based on survival skills and given camouflage. Since both groups are equally dark colored they have the same camouflage, however, one can infer that after a set time for the predator to hunt, the population of the more successful environment will be substantially greater. Therefore by creating a discerning “fittest” survival trait that is based on survival, the two groups can be surveyed. The data would then be collected following the number from each group to hide in each environment. The environment with the greatest survival rate would then be subdivided to discern which group of dark-colored mice was in fact fittest to survive in the dark colored environment.


Voir la vidéo: CHIMIE - Chimie et Environnement (Septembre 2022).


Commentaires:

  1. Mezigar

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  2. Raff

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  5. Tabei

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