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Darwin, l'évolution & la sélection naturelle

Le voyage de Charles Darwin sur le navire HMS Beagle et ses idées sur l'évolution et la sélection naturelle.

Les points clés :

  • Charles Darwin est un naturaliste britannique qui a développé la théorie de l'évolution biologique par sélection naturelle.
  • Darwin définit l'évolution comme étant une "descendance avec modification". L'idée est que les espèces changent au fil du temps, donnent naissance à de nouvelles espèces, et partagent un ancêtre commun.
  • Le mécanisme que Darwin propose pour l'évolution est celui de la sélection naturelle. Les ressources sont limitées dans la nature et les organismes qui présentent des traits héréditaires favorables à la survie et à la reproduction ont tendance à engendrer une descendance plus importante que leurs pairs, ce qui entraîne une augmentation de la fréquence de ces caractéristiques au fil des générations.
  • La sélection naturelle permet aux populations de s'adapter, ou de s'ajuster au mieux, à leur environnement au fil du temps. La sélection naturelle dépend de l'environnement et requiert l'existence de variations héréditaires au sein du groupe.

Qu'est-ce que l'évolution ?

L'idée de base de l'évolution biologique est que les populations et les espèces d'organismes varient au fil du temps. Aujourd'hui, quand on pense à l'évolution, on associe souvent ce concept à une personne en particulier : le naturaliste britannique Charles Darwin.
Dans les années 1850, Darwin écrit L'origine des espèces, une œuvre majeure mais controversée. Il y avance l'hypothèse selon laquelle les espèces évoluent (ou, selon ses termes, présentent une "descendance avec modification"), et tous les êtres vivants descendent d'un ancêtre commun.
Darwin propose également un mécanisme d'évolution : la sélection naturelle. Ce mécanisme sous-tend que des traits héréditaires, qui aident les organismes à survivre et à se reproduire, deviennent plus fréquents au sein d'une population avec le temps.
Dans cet article, on examinera de plus près les idées de Darwin. On va retracer comment elles ont émergé de ses voyages autour du monde à bord du navire HMS Beagle, et on verra aussi un exemple du fonctionnement de l'évolution par sélection naturelle.

Darwin et son voyage à bord du Beagle

Dans son livre phare, L'origine des espèces, Darwin expose ses idées sur l'évolution et la sélection naturelle. Ses théories sont largement basées sur des observations directes réalisées au cours de ses voyages autour du monde. De 1831 à 1836, il participe à une expédition d'exploration sur le navire HMS Beagle dont les étapes incluent l'Amérique du Sud, l'Australie et la pointe sud de l'Afrique. À chaque escale, Darwin a la possibilité d'étudier et de recenser les plantes et les animaux locaux.
Au cours de ses voyages, Darwin découvre des organismes aux profils intrigants en termes de distribution et de caractéristiques. Dans ses observations faites aux îles Galápagos, au large de l'Équateur, on retrouve les profils les plus importants parmi ceux relevés, du point de vue de la distribution des organismes.
_Crédit d'image : "Darwin's finches," de John Gould (domaine public)._
Darwin découvre que des îles voisines dans l'archipel des Galápagos présentent des espèces de pinsons similaires, mais pas identiques. De plus, il note que chacune de ces espèces est bien adaptée à son environnement et à son rôle. Par exemple, celles qui mangent de grosses graines sont généralement dotées de gros becs durs, tandis que celles qui se nourrissent d'insectes ont des becs minces et pointus. Enfin, il observe que les pinsons (et d'autres animaux) de ces îles sont comparables à des espèces présentes sur le continent équatorial voisin, mais diffèrent de ceux rencontrés ailleurs dans le mondesquared.
Darwin ne comprend pas tout cela lors de son voyage. En fait, il ne réalise pas tout de suite que tous les pinsons appartiennent à des espèces apparentées bien que distinctes. Ce n'est que lorsqu'il montre ses spécimens à un ornithologue expert (biologiste des oiseaux) des années plus tard qu'il comprend le liencubed ! Pourtant, il arrive à progressivement élaborer une théorie qui peut expliquer les différents profils de ces pinsons apparentés.
Selon l'idée de Darwin, ce profil serait logique si les îles Galápagos avaient, il y a longtemps, été peuplées par des oiseaux du continent voisin. Sur chaque île, les pinsons se seraient progressivement adaptés aux conditions locales (sur plusieurs générations et sur de longues périodes). Ce processus aurait pu conduire à la formation d'une ou plusieurs espèces distinctes sur chaque île.
Si cette idée était bien correcte, pourquoi l'était-elle ? Quel mécanisme pourrait expliquer comment chaque population a acquis des adaptations ou des caractéristiques qui lui ont permis de s'ajuster au mieux à son environnement immédiat ? Au cours de son voyage, et dans les années qui suivent, Darwin développe et affine un ensemble de concepts qui peuvent expliquer les profils qu'il a pu observer. Dans son livre, L'origine des espèces, il y expose ses deux idées clés : l’évolution et la sélection naturelle.

L'évolution

Les espèces actuelles sont placées en haut du graphique, alors que les ancêtres à partir desquels elles ont émergé figurent plus bas. Crédit d'image : "Darwin's tree of life," par Charles Darwin. Photographie de A. Kouprianov, domaine public.
Le postulat de Darwin stipule que les espèces évoluent au fil du temps, que de nouvelles espèces émergent à partir des espèces préexistantes, et que toutes partagent un ancêtre commun. Selon ce modèle, chaque espèce dispose d'un ensemble unique de variations héréditaires (génétiques), issues d'un ancêtre commun et accumulées progressivement sur de très longues périodes. Les multiples événements de ramification, où de nouvelles espèces se séparent à partir d'un ancêtre commun, génèrent un "arbre" à plusieurs niveaux qui relie tous les êtres vivants.
Darwin appelle ce processus — au cours duquel des groupes d’organismes changent de traits héréditaires au fil des générations — une "descendance avec modification". Aujourd'hui, on parle d'évolution. Le croquis de Darwin (ci-dessus) illustre son idée, en montrant comment une espèce peut se séparer en deux branches au cours du temps, et comment ce processus peut se répéter plusieurs fois dans "l'arbre familial" d'un groupe d'espèces apparentées.

La sélection naturelle

Toutefois, Darwin ne contente pas de dire que les organismes évoluent. Si cela avait constitué le début et la fin de sa théorie, cette dernière ne figurerait pas de nos jours dans autant de manuels ! En fait, Darwin propose également un mécanisme pour expliquer l'évolution : la sélection naturelle. Ce mécanisme, élégant et logique, permet de comprendre comment les populations peuvent évoluer (avoir une descendance avec modification) de telle manière qu'elles deviennent mieux adaptées à leur environnement au fil du temps.
Le concept de sélection naturelle de Darwin se base sur plusieurs observations clés :
  • Les traits sont souvent héréditaires. Chez les organismes vivants, de nombreuses caractéristiques sont héritées ou transmises des parents à la descendance. (Darwin savait que c'était le cas, même s'il ignorait que les caractères étaient transmis par les gènes.)
  • Le nombre de progénitures engendrées est supérieur aux ressources disponibles pour leur permettre de survivre. Les organismes sont capables de produire plus de progénitures que ce que leur environnement peut supporter. Il y a donc compétition pour des ressources limitées à chaque génération.
  • Les traits héréditaires varient d'une progéniture à l'autre. Les progénitures de chaque génération sont légèrement différentes les unes des autres au niveau de leurs traits (couleur, taille, forme, etc.), et bon nombre de ces caractéristiques seront génétiquement transmissibles.
Sur la base de ces observations simples, Darwin parvient aux conclusions suivantes :
  • Au sein d'une population, certains individus présentent des traits hérités qui les aident à survivre et à se reproduire (compte tenu des conditions environnementales, notamment de la présence de prédateurs et de sources de nourriture). Les individus dotés de ces caractères, propices à leur survie et à leur reproduction, engendreront donc plus de progénitures à la prochaine génération que leurs pairs.
  • Parce que les traits favorables sont héréditaires et que les organismes qui en sont dotés engendrent plus de descendants, ces caractères auront tendance à devenir plus fréquents (présents dans une fraction plus importante de la population) à la génération suivante.
  • Au fil des générations, la population sera adaptée à son environnement (car les individus dotés de traits favorables à cet environnement ont un succès reproductif systématiquement supérieur à celui de leurs pairs).
Le modèle d'évolution par sélection naturelle de Darwin lui permet d'expliquer les profils qu'il avait observés au cours de ses voyages. Par exemple, si les espèces de pinsons des Galápagos partagent un ancêtre commun, il est logique qu'elles présentent des similitudes globales les unes avec les autres (et avec les pinsons continentaux, qui partagent probablement cet ancêtre commun). Cependant, si des groupes de pinsons sont isolés sur des îles distinctes durant plusieurs générations, chaque groupe est exposé à un environnement différent au sein duquel divers traits héréditaires peuvent être favorisés, comme la taille et la forme du bec en fonction de la source de nourriture utilisée. Ces facteurs peuvent conduire à la formation d'espèces distinctes sur chaque île.

Exemple : comment fonctionne la sélection naturelle

Pour rendre le concept de sélection naturelle plus concret, on va prendre un exemple simplifié et hypothétique. Dans cet exemple, un groupe de souris présentant une variation héréditaire au niveau de la couleur de leur fourrure (noir vs claire) vient de s'installer dans une nouvelle zone où les rochers sont noirs. Cet environnement est le terrain de chasse des faucons, qui aiment manger les souris et repèrent plus facilement celles qui sont de couleur claire sur la roche noire.
Étant donné que les faucons peuvent voir et attraper plus facilement les souris claires, une fraction relativement importante de ces souris est consommée, tandis que beaucoup moins de souris noires sont tuées. Si on examine le rapport entre le nombre de souris noires et celui de souris claires dans le groupe des survivants ("non consommés"), il sera plus élevé que dans la population de départ.
_Illustration basée sur un schéma similaire de Reece et al. start superscript, 4, end superscript. Faucon dessiné à partir de "Black and white line art drawing of Swainson hawk bird in flight," par Kerris Paul (domaine public)._
La couleur de la fourrure est un trait héréditaire, et peut donc être transmise du parent à l'enfant. Ainsi, la proportion croissante de souris noires dans le groupe de survivants se traduit par une fraction accrue de souriceaux noirs à la génération suivante. Après plusieurs cycles de sélection, la population pourrait être composée presque entièrement de souris noires. Cette modification des caractéristiques héréditaires de la population est un exemple d'évolution.

Points clés sur la sélection naturelle

Quand j’ai commencé à étudier la sélection naturelle, j’avais des interrogations... et quelques idées reçues (!) sur son fonctionnement. Voici des précisions sur certains points potentiellement déroutants, qui pourront vous aider à mieux comprendre comment, quand et pourquoi a lieu la sélection naturelle.

La sélection naturelle dépend de l'environnement

La sélection naturelle ne favorise pas les traits qui sont en quelque sorte supérieurs. Elle va plutôt favoriser les caractères qui sont bénéfiques — qui aident un organisme à survivre et à se reproduire plus efficacement que ses pairs — dans un environnement spécifique. Des traits utiles dans un environnement donné peuvent s'avérer néfastes dans un autre.

La sélection naturelle agit sur les variations héréditaires existantes

La sélection naturelle a besoin d'un matériel de départ, et il s'agit ici de variations héréditaires. Pour que la sélection naturelle agisse sur un trait, il doit déjà exister une variation (une différence entre individus) pour ce caractère. De plus, les différences doivent être héréditaires, c'est-à-dire déterminées par les gènes des organismes.

La variation héréditaire provient de mutations aléatoires

Les mutations aléatoires (ou changements dans la séquence ADN) sont à l'origine des nouveaux variants génétiques qui produisent de nouveaux traits héréditaires, comme la couleur de la fourrure. Les mutations aléatoires qui sont transmises à la progéniture ont généralement lieu dans la lignée germinale (dans les cellules à l'origine des spermatozoïdes et des ovules) des organismes. La reproduction sexuée "mélange et associe" des variants génétiques pour induire plus de variations.

Sélection naturelle et évolution des espèces

Remontons le temps et voyons comment la sélection naturelle s'intègre dans la vision plus large d'évolution chez Darwin. Pour lui, tous les êtres vivants partagent un ancêtre commun et descendent de cet ancêtre selon un gigantesque arbre plein de ramifications. Que se passe-t-il au niveau de chacun de ces embranchements ?
Dans l'exemple des pinsons de Darwin, on a vu que des groupes d'une même population pouvaient se retrouver isolés les uns des autres par des barrières géographiques, comme l'océan autour des îles, ou par d'autres mécanismes. Une fois isolés, les groupes ne peuvent plus se reproduire entre eux et sont exposés à des environnements différents. Au sein de chaque milieu, la sélection naturelle est susceptible de favoriser différents traits. Et d'autres forces évolutives, telles que la dérive génétique, peuvent également s'exercer séparément sur les groupes. Après de nombreuses générations, les différences de traits héréditaires peuvent s'accumuler entre les groupes, au point qu'elles soient considérées comme des espèces distinctes.
Sur la base de divers éléments de preuves, les scientifiques pensent que ce type de processus s'est répété beaucoup de fois au cours de l'histoire de la vie sur Terre. L'évolution, par sélection naturelle et par d'autres mécanismes, sous-tend l'incroyable diversité des formes de vie actuelles, et l'action de la sélection naturelle peut expliquer l'adéquation des organismes actuels avec leurs environnements.