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19.E : L'évolution des populations (Exercices) - Biologie

19.E : L'évolution des populations (Exercices) - Biologie



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19.1 : Évolution de la population

Initialement, la nature particulaire nouvellement découverte des gènes rendait difficile pour les biologistes de comprendre comment une évolution graduelle pouvait se produire. Mais au cours des décennies suivantes, la génétique et l'évolution ont été intégrées dans ce qui est devenu la synthèse moderne - la compréhension cohérente de la relation entre la sélection naturelle et la génétique qui a pris forme dans les années 1940 et est généralement acceptée aujourd'hui.

Questions de révision

Quelle est la différence entre micro- et macro-évolution ?

  1. La microévolution décrit l'évolution de petits organismes, tels que les insectes, tandis que la macroévolution décrit l'évolution de grands organismes, comme les humains et les éléphants.
  2. La microévolution décrit l'évolution d'entités microscopiques, telles que les molécules et les protéines, tandis que la macroévolution décrit l'évolution d'organismes entiers.
  3. La microévolution décrit l'évolution des organismes dans les populations, tandis que la macroévolution décrit l'évolution des espèces sur de longues périodes de temps.
  4. La microévolution décrit l'évolution des organismes au cours de leur vie, tandis que la macroévolution décrit l'évolution des organismes sur plusieurs générations.

C

La génétique des populations est l'étude de :

  1. comment les forces sélectives modifient les fréquences alléliques dans une population au fil du temps
  2. la base génétique des traits à l'échelle de la population
  3. si les traits ont une base génétique
  4. le degré de consanguinité dans une population

UNE

Laquelle des populations suivantes n'est pas à l'équilibre de Hardy-Weinberg ?

  1. une population avec 12 individus homozygotes récessifs (yy), 8 individus homozygotes dominants (YY) et 4 individus hétérozygotes (Yy)
  2. une population dans laquelle les fréquences alléliques ne changent pas dans le temps
  3. p2 + 2pq + q2 = 1
  4. une population soumise à la sélection naturelle

L'une des premières colonies amish est née d'un navire de colons venus d'Europe. Le capitaine du navire, qui avait la polydactylie, un trait dominant rare, était l'un des premiers colons. Aujourd'hui, nous voyons une fréquence beaucoup plus élevée de polydactylie dans la population amish. Ceci est un exemple de :

  1. sélection naturelle
  2. dérive génétique
  3. effet fondateur
  4. b et c

Réponse libre

Résoudre la structure génétique d'une population avec 12 individus homozygotes récessifs (yy), 8 individus homozygotes dominants (YY) et 4 individus hétérozygotes (Yy).

p = (8*2 + 4)/48 = 0,42 ; q = (12*2 + 4)/48 = 0,58 ; p2 = 0,17 ; 2pq = 0,48 ; q2 = .34

Expliquez le principe de Hardy-Weinberg de la théorie de l'équilibre.

Le principe d'équilibre de Hardy-Weinberg est utilisé pour décrire la constitution génétique d'une population. La théorie affirme que les fréquences d'allèles et de génotypes d'une population sont intrinsèquement stables : à moins qu'une sorte de force évolutive n'agisse sur la population, génération après génération, la population porterait les mêmes gènes et les individus, dans leur ensemble, auraient essentiellement la même apparence. .

Imaginez que vous essayez de tester si une population de fleurs est en cours d'évolution. Vous soupçonnez qu'il y a une pression de sélection sur la couleur de la fleur : les abeilles semblent se regrouper plus souvent autour des fleurs rouges que des fleurs bleues. Dans une expérience distincte, vous découvrez que la couleur de la fleur bleue est dominante sur la couleur de la fleur rouge. Dans un champ, vous comptez 600 fleurs bleues et 200 fleurs rouges. Quelle serait, selon vous, la structure génétique des fleurs ?

Le rouge est récessif donc q2 = 200/800 = 0,25 ; q = 0,5 ; p = 1-q = 0,5 ; p2 = 0,25 ; 2pq = 0,5. Vous vous attendriez à 200 fleurs bleues homozygotes, 400 fleurs bleues hétérozygotes et 200 fleurs rouges.

19.2 : Génétique des populations

Les individus d'une population présentent souvent des phénotypes différents ou expriment différents allèles d'un gène particulier, appelés polymorphismes. Les populations avec deux ou plusieurs variations de caractéristiques particulières sont appelées polymorphes. La distribution des phénotypes parmi les individus, connue sous le nom de variation de la population, est influencée par un certain nombre de facteurs, notamment la structure génétique de la population et l'environnement.

Questions de révision

Lorsque les lions mâles atteignent la maturité sexuelle, ils quittent leur groupe à la recherche d'une nouvelle fierté. Cela peut modifier les fréquences alléliques de la population par lequel des mécanismes suivants ?

  1. sélection naturelle
  2. dérive génétique
  3. flux de gènes
  4. accouplement aléatoire

C

Laquelle des forces évolutives suivantes peut introduire une nouvelle variation génétique dans une population ?

  1. sélection naturelle et dérive génétique
  2. mutation et flux de gènes
  3. sélection naturelle et accouplement non aléatoire
  4. mutation et dérive génétique

B

Qu'est-ce que l'accouplement assortatif?

  1. quand les individus s'accouplent avec ceux qui leur ressemblent
  2. quand les individus s'accouplent avec ceux qui sont différents d'eux-mêmes
  3. lorsque les individus s'accouplent avec ceux qui sont les plus en forme dans la population
  4. lorsque les individus s'accouplent avec ceux qui sont les moins en forme dans la population

UNE

Lorsque des individus étroitement apparentés s'accouplent les uns avec les autres, ou sont consanguins, la progéniture n'est souvent pas aussi en forme que la progéniture de deux individus non apparentés. Pourquoi?

  1. Les proches parents sont génétiquement incompatibles.
  2. L'ADN des proches parents réagit négativement dans la progéniture.
  3. La consanguinité peut rassembler des mutations rares et délétères qui conduisent à des phénotypes nocifs.
  4. La consanguinité provoque l'expression d'allèles normalement silencieux.

C

Qu'est-ce qu'un cline ?

  1. le versant d'une montagne où vit une population
  2. le degré auquel une mutation aide un individu à survivre
  3. le nombre d'individus dans la population
  4. variation géographique graduelle à travers un gradient écologique

Réponse libre

Décrivez une situation dans laquelle une population subirait l'effet de goulot d'étranglement et expliquez l'impact que cela aurait sur le pool génétique de la population.

Un ouragan tue un grand pourcentage d'une population de crustacés du sable - seuls quelques individus survivent. Les allèles portés par les individus survivants représenteraient le pool génétique de l'ensemble de la population. Si les individus survivants ne sont pas représentatifs de la population d'origine, le pool génétique post-ouragan sera différent du pool génétique d'origine.

Décrire la sélection naturelle et donner un exemple de sélection naturelle à l'œuvre dans une population.

La théorie de la sélection naturelle découle de l'observation que certains individus d'une population survivent plus longtemps et ont plus de descendants que d'autres : ainsi, une plus grande partie de leurs gènes est transmise à la génération suivante. Par exemple, un grand et puissant gorille mâle est beaucoup plus susceptible qu'un plus petit et plus faible de devenir le dos argenté de la population : le chef de la meute qui s'accouple beaucoup plus que les autres mâles du groupe. Par conséquent, le chef de meute engendrera plus de descendants qui partagent la moitié de ses gènes et sont susceptibles de devenir plus gros et plus forts comme leur père. Au fil du temps, les gènes pour une plus grande taille augmenteront en fréquence dans la population, et la taille moyenne du corps, par conséquent, augmentera en moyenne.

Expliquez ce qu'est un cline et donnez des exemples.

Un cline est un type de variation géographique qui est observé dans les populations d'une espèce donnée qui varient progressivement à travers un gradient écologique. Par exemple, les animaux à sang chaud ont tendance à avoir des corps plus gros dans les climats plus froids plus proches des pôles terrestres, ce qui leur permet de mieux conserver la chaleur. Ceci est considéré comme un cline latitudinal. Les plantes à fleurs ont tendance à fleurir à des moments différents selon l'endroit où elles se trouvent le long de la pente d'une montagne. C'est ce qu'on appelle un cline altitudinal.

19.3 : Évolution adaptative

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 fitness relatif, permet aux chercheurs de déterminer quels individus contribuent à une progéniture supplémentaire à la prochaine génération, et donc, comment la population pourrait évoluer.

Questions de révision

Quel type de sélection entraîne une plus grande variance génétique dans une population ?

  1. sélection stabilisatrice
  2. sélection directionnelle
  3. sélection diversifiée
  4. sélection positive en fonction de la fréquence

C

Lorsque les hommes et les femmes d'une population ont une apparence ou un comportement différent, on parle de ________.

  1. dimorphisme sexuel
  2. sélection sexuelle
  3. sélection diversifiée
  4. un cline

UNE

L'hypothèse des bons gènes est une théorie qui explique quoi ?

  1. pourquoi les individus plus en forme sont plus susceptibles d'avoir plus de progéniture
  2. pourquoi les allèles qui confèrent des traits ou des comportements bénéfiques sont sélectionnés par la sélection naturelle
  3. pourquoi certaines mutations délétères sont maintenues dans la population
  4. pourquoi les individus d'un sexe développent des traits ornementaux impressionnants

Réponse libre

Donnez un exemple de trait qui peut avoir évolué en raison du principe du handicap et expliquez votre raisonnement.

La queue de paon est un bon exemple du principe du handicap. La queue, qui rend les mâles plus visibles pour les prédateurs et moins capables de s'échapper, est clairement un inconvénient pour la survie de l'oiseau. Mais parce que c'est un inconvénient, seuls les hommes les plus en forme devraient pouvoir survivre avec. Ainsi, la queue sert de signal honnête de qualité aux femelles de la population; par conséquent, le mâle gagnera plus d'accouplements et un meilleur succès reproducteur.

Énumérez les façons dont l'évolution peut affecter la variation de la population et décrivez comment elles influencent les fréquences alléliques.

L'évolution peut affecter la variation de la population de plusieurs manières : la sélection stabilisatrice, la sélection directionnelle, la sélection diversifiante, la sélection dépendante de la fréquence et la sélection sexuelle. Comme ceux-ci influencent les fréquences alléliques dans une population, les individus peuvent devenir plus ou moins apparentés, et les phénotypes affichés peuvent devenir plus similaires ou plus disparates.


Lycée Biologie : Génétique et évolution

Lequel des éléments suivants est ne pas un résultat de la sélection naturelle?

Les girafes ont un long cou pour se nourrir des arbres

Les couleuvres obscures ont une coloration différente selon leurs habitats

Développement d'organismes génétiquement modifiés

Développement d'organismes génétiquement modifiés

Le développement d'organismes génétiquement modifiés est un exemple de sélection artificielle due à une intervention humaine. Les organismes désirables sont autorisés à générer une progéniture, transmettant les gènes sélectionnés. Les organismes non optimaux sont empêchés de créer une progéniture.

Les autres options sont tous des changements évolutifs qui se sont produits naturellement. La coloration des serpents est un mécanisme permettant d'éviter les prédateurs et de traquer les proies. Le cou d'une girafe facilite l'accessibilité à sa source de nourriture. Un insecte résistant à un certain produit chimique survivra pour créer une progéniture.

Exemple de question #1 : Génétique et évolution

Laquelle des théories suivantes est l'une des théories de Charles Darwin sur l'évolution et la sélection naturelle, connue sous le nom de la descendance avec modification?

Les nouvelles espèces qui apparaissent dans les archives fossiles sont en fait des descendants d'espèces plus anciennes

Les changements dans un organisme se produisent rapidement, en quelques générations

L'environnement dans lequel vit une espèce n'est pas lié à la sélection naturelle

Des organismes similaires apparaissent dans des emplacements géographiques éloignés

Les nouvelles espèces qui apparaissent dans les archives fossiles sont en fait des descendants d'espèces plus anciennes

À titre d'exemple de décent avec modification, Darwin a observé différentes espèces de pinsons sur les îles Galapagos et a pensé qu'ils descendaient d'un ancêtre commun. Les individus qui ont hérité de traits avantageux sont susceptibles de produire plus de descendants que les autres membres de la population, ce qui entraîne la sélection naturelle. Cela se produit dans un environnement ou un emplacement géographique particulier. Décent avec modification est essentiellement la théorie des mutations héréditaires qui peuvent altérer le pool génétique d'une population, entraînant éventuellement une spéciation.

Exemple de question #1 : Génétique et évolution

La théorie selon laquelle les individus les mieux adaptés d'une génération ont tendance à être ceux qui laissent le plus de descendants s'appelle __________ .

La sélection naturelle est la survie et la reproduction inégales des organismes entraînant la préservation d'adaptations favorables. La sélection naturelle favorise les individus avec une meilleure fitness biologique, qui est définie par la capacité de l'individu à produire une progéniture viable.

L'évolution convergente est l'évolution indépendante de structures similaires parmi des organismes non réels à la suite de pressions environnementales similaires. L'évolution est tout changement dans les proportions de différents génotypes dans une population d'une génération à l'autre. La dérive génétique est un changement dans les fréquences alléliques d'une petite population purement par hasard. Une adaptation est une caractéristique d'un organisme qui l'aide à survivre et à se reproduire dans un environnement particulier.

Exemple de question n°4 : Génétique et évolution

Lequel des énoncés suivants décrit le mieux la théorie de la sélection naturelle de Darwin ?

Les girafes obtiendraient des longueurs de cou correspondant à la hauteur des feuilles sur plusieurs générations

Les girafes obtiendraient des longueurs de cou correspondant à la hauteur des feuilles en une génération

Les girafes obtiendraient des longueurs de cou correspondant à la hauteur des feuilles si les allèles appropriés étaient nouvellement introduits dans le pool génétique

Les girafes n'obtiendraient jamais des longueurs de cou correspondant à la hauteur des feuilles en raison des conditions écologiques

Les girafes obtiendraient des longueurs de cou correspondant à la hauteur des feuilles sans pressions sélectives

Les girafes obtiendraient des longueurs de cou correspondant à la hauteur des feuilles sur plusieurs générations

La sélection naturelle est une théorie qui explique que les organismes mieux adaptés à leur environnement auront une plus grande probabilité de survie. Dans le cas des girafes, la hauteur à laquelle les girafes ont trouvé des feuilles est la pression sélective. En supposant que la population a une longueur de cou variable, ceux qui avaient des longueurs de cou mieux adaptées à la hauteur à laquelle les feuilles se trouvaient ont eu une meilleure survie. Cela signifiait que ceux dont le cou était trop long ou trop court ne pouvaient pas atteindre les feuilles aussi efficacement, ce qui réduisait la survie. Par conséquent, les fréquences phénotypiques des populations vont changer, favorisant des longueurs de cou optimales. L'idée que la longueur idéale du cou serait atteinte au cours de la vie est lamarkienne et a été réfutée.

Exemple de question #1 : Génétique et évolution

Une relation entre deux organismes dans laquelle un organisme profite aux dépens de l'autre est connue sous le nom de ___________.

Le parasitisme est une relation dans laquelle un organisme profite aux dépens de l'autre organisme. Les parasites prennent souvent les nutriments de leurs hôtes, provoquant la malnutrition, une mauvaise immunité et la mort. Par exemple, les ténias peuvent consommer des aliments digérés par un organisme avant qu'ils ne puissent être absorbés par l'intestin, entraînant une mauvaise nutrition et la mort.

Le commensalisme est une relation entre deux organismes dans laquelle un organisme bénéficie sans affecter l'autre. Les commensalistes obtiennent souvent une protection contre leurs hôtes, restant autonomes sans dépendre de l'hôte pour l'énergie. Par exemple, les balanes peuvent vivre sur le ventre des baleines et se nourrir du plancton dans les eaux environnantes, tout en gagnant en transport et en protection contre la baleine. La baleine n'est pas affectée.

Le mutualisme est une relation entre deux organismes dans laquelle les deux organismes bénéficient. Les organismes mutualistes aident fréquemment à prévenir les maladies chez leurs hôtes. Par exemple, les bactéries dans l'intestin aident à digérer les matières étrangères et autres bactéries, prévenant les maladies chez l'homme tout en recevant des nutriments.

La compétition est une interaction entre espèces au cours de laquelle deux espèces reçoivent des ressources limitées et doivent se concurrencer pour survivre. L'évolution est le changement progressif des traits d'une espèce.

Exemple de question #1 : Génétique et évolution

Selon Darwin, les résultats de la sélection naturelle sont le mieux décrits par lequel des choix suivants ?

III. Correspondance entre l'organisme et son environnement

IV. L'aptitude relative d'un organisme

En observant l'Amérique du Sud à bord du Beagle, Darwin a remarqué à quel point les animaux étaient adaptés à leur environnement. Il a également noté que les animaux des Galapagos étaient assez similaires à ceux du continent, bien qu'ils présentaient des différences qui les aidaient à prospérer dans leurs différents habitats. En raison de l'unité/similitude et pourtant de la diversité de la vie, Darwin a émis l'hypothèse que les animaux du continent ont colonisé les îles. De quelques espèces, de nombreuses autres se sont développées et ont évolué pour remplir les niches de l'île.

Exemple de question #1 : Génétique et évolution

Des oiseaux de la même espèce ont été transportés du continent vers une île voisine lors d'une tempête. En vivant sur l'île, la sélection naturelle agit en faveur des oiseaux à bec plus petit, car les oiseaux à bec grand et moyen ont plus de mal à se nourrir. Ce processus est un exemple de lequel des choix suivants ?

La sélection directionnelle se produit lorsque les conditions favorisent les individus présentant un extrême d'une gamme phénotypique. Dans cet exemple, les conditions sur l'île favorisent les oiseaux à petit bec, ce qui modifie la courbe de fréquence de la population pour le caractère phénotypique dans une direction (vers les individus à plus petit bec). La sélection perturbatrice agirait en faveur à la fois des grands et des petits becs (extrêmes phénotypiques), tandis que la sélection stabilisatrice agirait contre les deux extrêmes. En d'autres termes, la sélection stabilisante agirait en faveur des becs de taille moyenne ou de ceux qui se situent dans la médiane de la courbe phénotypique.

Exemple de question n°8 : Génétique et évolution

Les individus d'une espèce particulière de plantes de gingembre qui sont homoygotes récessives pour les allèles d'un gène qui régule la hauteur sont phénotypiquement maladifs et petits. Il existe deux populations de plants de gingembre dans cette région : une population qui pousse près de la rivière et une autre population qui pousse dans les montagnes. La population fluviale compte un pourcentage élevé d'individus hétérozygotes porteurs de l'allèle récessif, avec quelques homozygotes malades. Presque aucun individu ne porte l'allèle récessif dans les montagnes. Compte tenu de la façon dont la sélection naturelle affecte les fréquences alléliques, quelle est la raison potentielle pour laquelle cet allèle récessif existe dans la population de la rivière ?

Les hétérozygotes porteurs d'un allèle récessif et d'un allèle dominant ont un avantage de fitness dans la région de la rivière

La population fluviale du gingembre est plus ancienne que la population montagnarde

La zone de montagne est un environnement plus difficile à cultiver pour le gingembre

Les plantes maladives récessives homozygotes peuvent survivre près de la rivière mais pas de la montagne

Les hétérozygotes porteurs d'un allèle récessif et d'un allèle dominant ont un avantage de fitness dans la région de la rivière

Le maintien d'un allèle récessif pouvant provoquer un phénotype maladif lorsqu'un individu est homozygote récessif ne semble pas avantageux. Cependant, si l'allèle récessif est maintenu dans une population plutôt qu'une autre, cela suggère que le fait d'être hétérozygote pour ce trait peut produire un avantage de fitness basé sur l'habitat. En conséquence, il n'est pas éliminé de la population. Un exemple similaire est l'anémie falciforme chez l'homme. Dans des cas particuliers d'anémie falciforme, les individus hétérozygotes sont protégés du paludisme tandis que les individus homozygotes ont des problèmes de santé. En d'autres termes, l'avantage de fitness associé aux porteurs hétérozygotes sélectionne le maintien des allèles récessifs au sein de la population.

Exemple de question #1 : Génétique et évolution

Plusieurs individus d'une population de coléoptères verts acquièrent une mutation qui les rend bleus et toxiques pour leur principale espèce d'oiseau prédateur. Que pensez-vous qu'il arrivera à cette population au fil du temps?

Les poisons ont une meilleure forme physique, et la stabilisation de la sélection conduira à comparer la population de coléoptères à des individus principalement bleus et toxiques au fil du temps.

Les poisons ont une meilleure forme physique, et la sélection naturelle conduira à plus d'individus bleus et toxiques et moins de coléoptères verts au fil du temps

Les poisons n'ont aucun avantage de survie, et la population sera un mélange d'individus verts et bleus au fil du temps

Les poisons ont une moins bonne forme physique et la sélection naturelle conduira la population de coléoptères à rester verte

Les poisons ont une meilleure forme physique, et la sélection naturelle conduira à plus d'individus bleus et toxiques et moins de coléoptères verts au fil du temps

En raison du fait que les coléoptères bleus sont toxiques pour les oiseaux qui s'en nourrissent, les oiseaux commenceront probablement à éviter les coléoptères bleus et ne mangeront que les verts. De cette manière, la sélection naturelle sélectionne contre les coléoptères verts et pour les adaptations des coléoptères bleus. En conséquence, davantage de coléoptères bleus survivront et se reproduiront. Au fil du temps, cela conduira à une population de coléoptères principalement bleus et toxiques.

Exemple de question #1 : Génétique et évolution

Dans une population particulière de pinsons insulaires, les individus plus petits que la moyenne souffrent d'une remise en forme réduite car ils ne peuvent pas consommer les graines plus grosses qui apparaissent en abondance dans leur habitat. De même, les individus plus grands que la moyenne de la même espèce souffrent d'une remise en forme réduite en raison de la prédation accrue des rapaces sur l'île. Quel type de sélection résulterait de ce scénario ?

La sélection stabilisante se produit lorsque les individus des deux extrêmes phénotypiques sont sélectionnés contre. Dans ce cas, les individus plus petits ou plus grands que la moyenne présentent un désavantage en termes de condition physique. Ce scénario conduirait à stabiliser la sélection.

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Introduction

L'évolution est la seule théorie unificatrice en biologie, et une solide compréhension de la façon dont l'évolution se produit dans la nature est essentielle. La compréhension de la théorie de l'évolution est souvent difficile pour les étudiants, en particulier parce que de nombreux concepts sous-jacents, tels que la sélection et le flux génétique, sont abstraits. Les jeux participatifs sont très utiles pour enseigner des concepts abstraits car une expérience personnelle des phénomènes simulés les rend beaucoup plus tangibles, relatables et compréhensibles (comme le soulignent Hassard & amp Dias, 2009). L'expérience étudiante du processus évolutif au niveau de la population à travers un jeu interactif peut servir d'outil très efficace pour enseigner les concepts évolutifs.

Les mécanismes de pollinisation des plantes se prêtent particulièrement à l'enseignement de concepts évolutifs par le biais de jeux. Les interactions plantes-pollinisateurs sont un cas classique de mutualisme écologique, les plantes bénéficiant de services de reproduction et les pollinisateurs bénéficiant de récompenses en pollen ou en nectar. Les mécanismes de pollinisation des plantes ont évolué grâce à la sélection naturelle, le phénomène par lequel certains individus d'une population ont des traits, ou des composants de fitness, qui leur permettent de survivre et de se reproduire plus que d'autres individus de la population. Ces individus qui réussissent ont une meilleure aptitude évolutive que les autres individus et sont plus susceptibles de transmettre leurs gènes. Par conséquent, les gènes et les traits qui contribuent à la survie et à la reproduction des individus augmenteront en prévalence dans la population. Par exemple, dans le contexte de la pollinisation des plantes, une plante avec des fleurs pleines de nectar sera plus susceptible de se reproduire et d'avoir une meilleure aptitude que les plantes avec une plus petite quantité de nectar car elle est plus susceptible d'être visitée par un pollinisateur (pour les définitions des principaux termes, voir le tableau 1). Comme d'autres interactions écologiques, y compris la compétition et la prédation, les mutualismes entre les plantes et les pollinisateurs peuvent entraîner une évolution. En fait, les relations évolutives concordantes entre les papillons et leurs pollinisateurs ont constitué l'un des exemples les plus anciens et les plus connus de coévolution, ou d'évolution réciproque entre deux espèces (Ehrlich & Raven, 1964).

Terme. Définition.
ÉvolutionUn changement au fil du temps dans les proportions d'organismes individuels différant génétiquement par un ou plusieurs caractères.
PopulationGroupe d'organismes conspécifiques qui occupent une région géographique et présentent une continuité reproductive de génération en génération.
AptitudeLe succès d'une entité à reproduire la contribution moyenne d'un allèle ou d'un génotype à la génération suivante.
Sélection naturelleSurvie et/ou reproduction différentielle de classes d'entités qui diffèrent par une ou plusieurs caractéristiques. Pour constituer la sélection naturelle, la différence de survie et/ou de reproduction ne peut être due au hasard et elle doit avoir pour conséquence potentielle de modifier les proportions des différentes entités.
Flux de gènesL'incorporation de gènes dans le pool génétique d'une population d'une ou plusieurs autres populations.
MigrationUtilisé comme synonyme de flux de gènes entre les populations.
AdaptationUn processus de changement génétique dans une population par lequel, à la suite de la sélection naturelle, l'état moyen d'un caractère s'améliore par rapport à une fonction spécifique, ou par lequel une population est considérée comme mieux adaptée à une caractéristique de son environnement.
La consanguinitéL'accouplement entre parents qui se produit plus fréquemment que si les partenaires étaient choisis au hasard dans une population.
Dépression de consanguinitéRéduction, chez les individus consanguins, de la valeur moyenne d'un caractère (généralement corrélée à la fitness).
GèneL'unité fonctionnelle de l'hérédité.
Sélection indirectePour constituer une sélection indirecte, la différence dans la proportion d'entités survivantes et/ou se reproduisant qui diffèrent par une ou plusieurs caractéristiques doit être en l'absence d'effets directs de fitness sur l'individu (voir sélection naturelle en comparaison).
Variation génétiqueAu sein d'une population, la variation génétique constitue l'étendue de la variation des allèles des gènes d'un pool génétique. Les allèles sont des formes du même gène.
Allocation des ressourcesLa proportion du budget énergétique d'un organisme allouée aux ressources reproductives à un moment donné. Également appelée « allocation reproductrice » dans le contexte du jeu de la pollinisation.
SessileFixé en place, immobile.
Terme. Définition.
ÉvolutionUn changement au fil du temps dans les proportions d'organismes individuels différant génétiquement par un ou plusieurs caractères.
PopulationGroupe d'organismes conspécifiques qui occupent une région géographique et présentent une continuité reproductive de génération en génération.
AptitudeLe succès d'une entité à reproduire la contribution moyenne d'un allèle ou d'un génotype à la génération suivante.
Sélection naturelleSurvie et/ou reproduction différentielle de classes d'entités qui diffèrent par une ou plusieurs caractéristiques. Pour constituer la sélection naturelle, la différence de survie et/ou de reproduction ne peut être due au hasard et elle doit avoir pour conséquence potentielle de modifier les proportions des différentes entités.
Flux de gènesL'incorporation de gènes dans le pool génétique d'une population d'une ou plusieurs autres populations.
MigrationUtilisé comme synonyme de flux de gènes entre les populations.
AdaptationUn processus de changement génétique dans une population par lequel, à la suite de la sélection naturelle, l'état moyen d'un caractère s'améliore par rapport à une fonction spécifique, ou par lequel une population est considérée comme mieux adaptée à une caractéristique de son environnement.
La consanguinitéL'accouplement entre parents qui se produit plus fréquemment que si les partenaires étaient choisis au hasard dans une population.
Dépression de consanguinitéRéduction, chez les individus consanguins, de la valeur moyenne d'un caractère (généralement corrélée à la fitness).
GèneL'unité fonctionnelle de l'hérédité.
Sélection indirectePour constituer une sélection indirecte, la différence dans la proportion d'entités survivantes et/ou se reproduisant qui diffèrent par une ou plusieurs caractéristiques doit être en l'absence d'effets directs de fitness sur l'individu (voir sélection naturelle en comparaison).
Variation génétiqueAu sein d'une population, la variation génétique constitue l'étendue de la variation des allèles des gènes d'un pool génétique. Les allèles sont des formes du même gène.
Allocation des ressourcesLa proportion du budget énergétique d'un organisme allouée aux ressources reproductives à un moment donné. Également appelée « allocation reproductrice » dans le contexte du jeu de la pollinisation.
SessileFixé en place, immobile.

L'évolution peut se produire par le biais d'interactions plante-pollinisateur de diverses manières qui peuvent être démontrées par les activités décrites ci-dessous. En particulier, cet exercice favorise l'apprentissage scientifique qui permet aux étudiants de penser de manière critique en tant que biologistes évolutionnistes. Leonard (2010) a mis l'accent sur ce style d'apprentissage au niveau collégial, et nous avons appliqué ce concept dans cet exercice de pollinisation pour les élèves du secondaire afin d'aborder l'évolution du point de vue des plantes. Ces activités ont été testées sur le terrain en classe et conviennent particulièrement aux élèves de la 8e à la 12e année. Le développement ultérieur des exercices pour le niveau collégial pourrait ajouter dans la perspective d'évolution du point de vue des pollinisateurs pour augmenter le niveau de complexité.


DISCUSSION

Nous avons développé et évalué six activités en classe pour enseigner la sélection naturelle aux étudiants d'introduction à la biologie. Toutes nos évaluations ont suggéré que les activités étaient à la fois engageantes et efficaces.

Les gains d'apprentissage que nous avons observés sur la version en 10 questions du CINS se comparent très favorablement aux résultats des autres classes. Andrews et al. (2011b) ont administré les mêmes 10 questions CINS-abbr à 33 cours d'introduction à la biologie échantillonnés au hasard dans les principales universités des États-Unis. Les élèves de ces classes ont suivi le CINS-abbr avant et après l'enseignement de la sélection naturelle. Le gain moyen normalisé parmi ces cours était de 0,26, et le gain normalisé le plus élevé observé était de 0,68 (T.M.A., données non publiées). Dans notre classe, nous avons observé un gain normalisé de 0,72 lorsque S.T.K. enseigné le cours et 0,73 lorsque le doctorant a enseigné les leçons. Notez que nos gains d'apprentissage étaient plus élevés que dans toutes les autres classes étudiées par Andrews et al., même lorsque notre unité sur la sélection naturelle était enseignée par un étudiant diplômé avec très peu d'expérience en enseignement. Nous interprétons cela comme la preuve que les leçons que nous décrivons ici sont efficaces pour promouvoir l'apprentissage.

Les résultats de l'évaluation à l'aide de courtes questions à développement se comparent également favorablement aux résultats d'autres institutions. Le gain normalisé associé à nos six activités d'apprentissage, tel que mesuré par nos courtes questions à développement, était de 0,65. Le gain moyen normalisé pour une courte question à développement dans l'étude nationale d'Andrews et al. (2011b) était de 0,06, environ un dixième de ce que nous avons observé dans notre classe. C'est une preuve supplémentaire de l'efficacité de nos exercices d'apprentissage. Il y a cependant une différence méthodologique à noter entre notre évaluation et celle de l'enquête d'Andrews et al. (2011b). Nous avons utilisé sept courtes questions à développement. Andrews et al. (2011b) n'ont utilisé qu'une seule question : une question sur les guépards très similaire à notre question sur les guépards (tableau 2). Les données ne sont donc pas parfaitement comparables. Cependant, il n'y a aucune raison de soupçonner que notre série de questions était plus facile que la question sur le guépard utilisée par Andrews. et al. (2011b). Nous avons observé un gain standardisé de 0,88 pour la question sur le guépard dans notre classe, les gains standardisés pour toutes les autres questions étaient inférieur. Par conséquent, l'ensemble de questions que nous avons utilisé pour évaluer nos exercices d'apprentissage était probablement plus difficile que la question utilisée par Andrews. et al. (2011b).

Des recherches récentes (Nehm et Ha, 2010 Nehm et al., 2012) a montré que la capacité des étudiants à répondre aux questions concernant la sélection naturelle dépend du contexte de la question. En particulier, Nehm et Ha (2010) ont montré qu'il est plus difficile pour les étudiants de répondre aux questions qui impliquent la perte de traits, des espèces inconnues ou l'évolution entre espèces. Si cette recherche avait été disponible lorsque nous avons commencé notre projet, nous aurions élargi la portée des questions à réponse courte dans notre évaluation. Cependant, nous avons inclus une question relative à la perte de traits (chez les baleines), et cela nous donne un aperçu de l'efficacité de nos exercices d'apprentissage pour permettre aux étudiants de raisonner sur la sélection naturelle dans des contextes au-delà de l'évolution d'un nouveau trait au sein d'une espèce. . Comme prévu à partir des résultats de Nehm et Ha (2010), les scores à notre question sur la perte de traits étaient, en moyenne, inférieurs aux six questions sur les gains de traits. Cependant, les gains d'apprentissage observés avec les questions de perte de traits sur les baleines ne semblaient pas inférieurs à ceux des autres questions. Nous avons calculé le gain normalisé pour chacune des sept questions, et le gain normalisé pour la question sur l'évolution des baleines était de 0,60. Ceci était égal à la médiane du gain normalisé parmi nos sept questions. Nous n'avons jamais discuté ou mentionné la perte de traits à aucun moment pendant le cours, il semble donc probable que nos étudiants aient suffisamment bien appris la sélection naturelle pour pouvoir raisonner efficacement sur le scénario évolutif relativement nouveau de la perte des traits.

Nos tests pré- et post-enseignement ont montré que nos étudiants ont fait des progrès impressionnants dans la compréhension de l'un des concepts les plus difficiles de la biologie. Nous attribuons ces gains d'apprentissage à nos exercices en classe et suggérons quatre caractéristiques de nos leçons peut ont joué un rôle important dans la promotion de l'apprentissage. Premièrement, nous avons conçu ces leçons pour cibler spécifiquement les idées fausses des élèves. Nous n'avons pas seulement utilisé l'apprentissage actif, nous avons utilisé des méthodes spécifiques dans un format d'apprentissage actif pour aider les élèves à dépasser les idées fausses. Deuxièmement, nous avons explicitement discuté de la base génétique de l'évolution. De nombreuses idées fausses des étudiants concernant la sélection naturelle se rapportent à la génétique, donc faire un lien avec les connaissances génétiques antérieures des étudiants devrait être utile. Third, we presented students with multiple examples of selection at work in a variety of different contexts. Finally, we did our best to create exercises that engaged our students as deeply as possible (Table 4).

We have attributed the dramatic increase in test scores we observed with our students to the classroom activities we conducted, and have proposed four reasons why our lessons may have been effective. We do acknowledge, however, the design of our study makes it impossible to unambiguously attribute student learning to any specific element of our instruction. We conducted six classroom activities during our unit on natural selection, but these activities were not the only opportunities students had to learn. Students were assigned textbook readings before each lesson, and this may have contributed to some of their learning. Similarly, most of our lectures included a fair amount of ordinary lecturing, and this could have contributed to student learning. There are many other possibilities. However, it is not credible to us that any of these aspects of our course were unique enough to explain the uniquely high learning gains we observed.

Readers may wonder whether any of our six lessons were more or less effective than others. For example, the average class score on the short essay questions dropped after the mice and peacock discussions, which raises the question of whether these lessons were effective or not. Unfortunately, our study was not designed to measure how much students learned in a specific activity. There are several reasons why not. First, we did not perform pre- and postinstruction testing for any of the individual learning activities. We administered the CINS-abbr before and after our unit on natural selection and administered essay questions to the class before, after, and during our unit on natural selection, but we did not perform any assessment immediately before and/or immediately after any of the activities described here. Second, our course had only 41 students, and they answered a single essay question each day we did testing during the unit. This does not give us a lot of statistical power to measure how much students learned from one lesson to the next. Third, student understanding can temporarily “dip” after a lesson, especially if a lesson presents students with a principle in a new context. When instructors do this, students need to restructure their knowledge to deal with the new context (e.g., Bransford and Schwartz, 1999 Barnett and Ceci, 2002 Lobato, 2008). Fourth, it is important to remember that the essay questions provide only one measure of how well students understand natural selection. Learning gains might have looked different had we used other questions. Finally, we emphasize that our data describes learning gains for the sequence of exercises as we taught them. The apparent effectiveness of any lesson almost certainly strongly depends on what is taught before it. For example, the dog-breeding lesson was associated with higher learning gains than the discussion of beach mice. If we used the mice lesson first and followed it up with a discussion of dog breeding, we might observe the opposite.

Instructors considering incorporating our learning exercises into their courses may wish to modify them to suit the specific needs of their courses. If this is done, instructors must ensure these activities give students the opportunity to personally construct an understanding of natural selection. In particular, we strongly encourage instructors to make sure that students: 1) formulate an initial answer to each question on their own, 2) discuss their answers with a few other students, 3) participate in a discussion with the entire class, and 4) recognize how these activities relate to the main concepts taught in a course. All of this takes time but is important for learning. There is accumulating evidence that instructors attempting to use active-learning methods do not include these elements in their instruction, and therefore fail to see the learning gains they hope to achieve (Turpen and Finkelstein, 2009 Andrews et al., 2011b Ebert-May et al., 2011).

Instructors using the exercises described in this paper in their classroom should make an effort to assess whether their students are learning natural selection. Some sort of pre- and postinstruction testing is necessary to do this. The CINS-abbr (Anderson et al., 2002), ACORNS (Assessing Contextual Reasoning about Natural Selection) (Nehm et al., 2012), or open-response questions (described by Bishop and Anderson, 1990) are reasonable instruments to use. There are no established criteria for what constitutes acceptable learning gains on these tests, but a normalized gain of ≥0.50 probably represents a substantial achievement.

In the course we taught, we devoted six 50-min lectures to teaching natural selection. This might seem excessive. Two lines of evidence suggest this time was well spent. First, after five lectures on natural selection, many of our students were unable to recognize that suicide was an unlikely adaptation. This implies their understanding of natural selection was still developing or they were unable to draw upon their knowledge when that knowledge was relevant. Second, the average test score on the short essay questions we used to assess understanding of natural selection did not appear to level off. Student answers appeared to be still improving at the end of our series of exercises (Figure 2). In particular, students’ understanding of the genetic basis of evolution seemed to be improving (Figure 2).

We will conclude this paper with a few comments on a controversial aspect of moving from traditional lectures to active learning. Most of the learning exercises described here require a fair amount of time to conduct. This is especially true for the discussions of dog breeding, human evolution, and peacock trains. An instructor using these activities for the first time may find he or she has less time to cover other material. This could be viewed as a reason not to use active learning—especially if instructors feel pressure to cover as much material as possible. We have two responses. First, the goal of teaching is not to cover as much as possible, but to teach as much as possible, and a large body of evidence shows that students learn more in courses that make extensive use of active learning (e.g., Hake, 1998 Knight and Wood, 2005 Freeman et al., 2007). Second, natural selection is one of the most important concepts in biology, but it is difficult for students to learn. All evidence suggests many students need specialized and time-consuming instruction to learn natural selection well enough to avoid falling back upon glaringly inaccurate misconceptions. Instructors might cover more if they used traditional lectures to cover natural selection, but it is hard to imagine what other topics students might learn that would make up for not understanding the principle cause of evolution.


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