Si une population réelle s'écarte de l'équilibre de Hardy-Weinberg, c'est qu'une ou plusieurs forces évolutives agissent sur son pool génique. On les classe en facteurs déterministes — mutation, sélection, migration, système de croisement — dont on peut prédire le sens et l'intensité, et en un facteur aléatoire, la dérive génétique. Ce chapitre donne, pour chacun, le modèle mathématique simple attendu à l'examen et la signification biologique des paramètres.
1. La mutation : source première de variabilité
La mutation est le seul mécanisme qui crée des allèles nouveaux ; toutes les autres forces ne font que redistribuer une variabilité préexistante. Chez l'Homme, le taux de mutation par gène et par génération est de l'ordre de 10−4 à 10−8, avec une valeur moyenne voisine de 10−6. Il dépend de la taille du gène — plus la séquence est longue, plus la cible mutationnelle est grande — et de la présence de points chauds (séquences répétées, dinucléotides CpG) où la fréquence locale est nettement plus élevée. Les agents mutagènes physiques ou chimiques augmentent ce taux sans en modifier le caractère aléatoire quant à la position.
Prise isolément, la mutation est une force très faible : avec un taux u de A vers a, la fréquence de a n'augmente que de u × p par génération, si bien qu'il faut des milliers de générations pour modifier sensiblement le pool génique. Lorsqu'existe une mutation réverse de taux v, un équilibre mutationnel s'établit pour qeq = u/(u + v). L'importance évolutive de la mutation tient donc moins à son intensité qu'à son rôle d'alimentation continue en variabilité, sur laquelle la sélection et la dérive pourront ensuite agir.
2. La sélection naturelle et la valeur sélective
La sélection agit sur le succès reproducteur différentiel des génotypes. On attribue à chaque génotype une valeur sélective (fitness) w comprise entre 0 et 1, le génotype le plus favorisé recevant w = 1 ; le coefficient de sélection s = 1 − w mesure le désavantage. Si aa est contre-sélectionné avec un coefficient s, la variation de fréquence par génération vaut Δq = −s q²(1 − q)/(1 − s q²). L'efficacité de la sélection dépend donc de la fréquence : elle est forte tant que q est élevé, très faible quand q devient rare, car l'allèle récessif est alors « caché » à l'état hétérozygote.
Ce résultat explique qu'une sélection, même totale, n'élimine jamais complètement un allèle récessif délétère : pour un létal récessif (s = 1), la fréquence décroît selon qn = q0/(1 + n q0), c'est-à-dire de plus en plus lentement. Il faut distinguer plusieurs régimes : la sélection directionnelle déplace la fréquence vers 0 ou 1 ; la sélection stabilisante favorise les phénotypes moyens ; la superdominance (avantage de l'hétérozygote) maintient un polymorphisme équilibré à la fréquence qeq = s1/(s1 + s2). L'exemple classique est la drépanocytose : les hétérozygotes HbA/HbS sont plus résistants au paludisme, ce qui maintient l'allèle HbS à fréquence élevée dans les zones impaludées. Un équilibre entre apport mutationnel et élimination sélective s'établit aussi pour les maladies dominantes graves, avec qeq = u/s.
3. La migration et le flux génique
La migration introduit dans une population des allèles venus d'ailleurs : c'est le flux génique. Dans le modèle « continent-île », si une fraction m des reproducteurs de l'île provient à chaque génération du continent où l'allèle a la fréquence Q, la fréquence sur l'île devient q' = (1 − m)q + mQ, soit une variation Δq = m(Q − q). La migration tend donc à homogénéiser les populations : elle rapproche q de Q, et un flux même faible suffit, sur la durée, à empêcher la différenciation génétique de deux populations voisines.
Cette force s'oppose ainsi directement à la dérive et à la sélection locale, qui différencient les populations. En génétique humaine, le métissage entre populations est traité comme une migration et permet d'estimer, par comparaison des fréquences alléliques, la contribution respective des populations sources. À l'inverse, l'isolement géographique, culturel ou religieux réduit m à des valeurs très basses et favorise l'apparition de particularités génétiques locales, y compris une fréquence anormalement élevée de certaines maladies récessives.
4. La dérive génétique : le hasard de l'échantillonnage
La dérive génique désigne les changements de composition génétique d'une population d'une génération à l'autre expliqués exclusivement par les effets du hasard, et qui prévalent dans les populations à petits effectifs. Chaque génération n'est qu'un tirage d'un nombre fini de gamètes : la fréquence de la génération suivante fluctue autour de q avec une variance égale à pq/2N, N étant l'effectif efficace. Plus N est petit, plus la fluctuation est ample ; la dérive est donc négligeable dans une grande population et déterminante dans une petite.
Ses conséquences à long terme sont caractéristiques : perte de variabilité — l'hétérozygotie diminue en moyenne de 1/(2N) par génération —, fixation ou perte définitive des allèles (la probabilité qu'un allèle finisse par se fixer est égale à sa fréquence actuelle), et différenciation aléatoire des populations isolées. Deux situations la déclenchent brutalement : le goulot d'étranglement, réduction temporaire et sévère de l'effectif après une catastrophe ou une épidémie, et l'effet fondateur, colonisation d'un nouveau territoire par un petit nombre de pionniers qui n'emportent qu'une fraction des allèles de la population d'origine. Populations insulaires, populations isolées et populations de culture ou d'élevage y sont particulièrement exposées.
5. Bilan : forces déterministes et forces aléatoires
Ces forces agissent simultanément et souvent en sens contraire. La mutation crée, la sélection trie, la migration homogénéise, la dérive appauvrit et différencie au hasard. L'issue dépend des ordres de grandeur : la sélection l'emporte sur la dérive tant que s est nettement supérieur à 1/(2N), sinon l'allèle se comporte comme sélectivement neutre. De même, un flux génique tel que m > 1/(2N) suffit à contrer la différenciation par dérive entre deux populations.
Contribution relative d'un génotype à la génération suivante, notée w ; le coefficient de sélection s = 1 − w mesure son désavantage.
Fluctuation aléatoire des fréquences alléliques due à l'échantillonnage fini des gamètes, d'autant plus forte que l'effectif est petit.
Cas particulier de dérive où une population nouvelle est issue d'un petit nombre de fondateurs ne portant qu'une partie des allèles de la population d'origine.
| Force | Nature | Effet sur la variabilité | Effet entre populations |
|---|---|---|---|
| Mutation | Déterministe, très lente | Crée des allèles nouveaux | Différencie très lentement |
| Sélection | Déterministe, orientée | Élimine ou fixe ; peut maintenir un polymorphisme | Différencie si milieux différents |
| Migration | Déterministe | Augmente la diversité locale | Homogénéise |
| Dérive | Aléatoire | Diminue l'hétérozygotie, fixe au hasard | Différencie fortement si N petit |
Comparaison des quatre forces évolutives
- Seule la mutation crée des allèles nouveaux ; taux humain de 10⁻⁴ à 10⁻⁸ par gène et par génération.
- Sélection : Δq = −sq²(1 − q)/(1 − sq²) ; un létal récessif suit q_n = q₀/(1 + nq₀), élimination de plus en plus lente.
- Superdominance → polymorphisme équilibré ; drépanocytose et résistance au paludisme en sont l'exemple.
- Migration : q' = (1 − m)q + mQ, force homogénéisante qui s'oppose à la dérive.
- Dérive : variance pq/2N, perte d'hétérozygotie de 1/(2N) par génération, probabilité de fixation = fréquence actuelle.
- Goulot d'étranglement et effet fondateur sont les deux déclencheurs classiques d'une dérive intense.
Les sujets marocains combinent souvent deux forces : équilibre mutation-sélection q = u/s pour une maladie dominante, ou calcul du nombre de générations nécessaires pour faire passer q d'une valeur à une autre sous sélection. Vérifie toujours quel génotype est contre-sélectionné avant d'écrire Δq, et n'oublie pas que la sélection contre un récessif devient inefficace quand q est faible. Sur la dérive, on demande fréquemment de distinguer goulot d'étranglement et effet fondateur : le premier réduit une population existante, le second en fonde une nouvelle.