Biologie du primaire et du collège · Grades 1–9
65Les gènes et l’ADN
Les chromosomes portent les déterminants — mais un fil n’est pas encore un texte. Qu’est-ce qu’un déterminant, le long d’un chromosome ? Et de quoi le fil est-il fait, pour qu’un noyau large de quelques millièmes de millimètre puisse contenir les consignes d’un être humain entier (Exercice 63.12) ? Deux noms répondent, et ce sont les plus célèbres de la biologie moderne : le gène, et l’ADN.
65.1 Les gènes : les déterminants, situés
Définition 65.1 (Gène et allèles)
Un gène est un déterminant rendu précis : un segment de chromosome qui porte les consignes de la part de construction d’un caractère — un gène pour la machinerie des groupes sanguins, d’autres pour les pigments de la couleur des yeux, des milliers et des milliers le long des 46 fils, chacun à son adresse fixe. Un gène peut exister en plusieurs versions — les allèles : les versions A, B et O du gène des groupes sanguins, les versions brune et bleue du gène de la couleur des yeux. Même adresse, orthographe différente.
Proposition 65.2 (Deux exemplaires, et ce que montrer veut dire)
Les chromosomes vont par paires (Proposition 64.2) — tout gène existe donc en deux exemplaires, un par partenaire, un de chaque parent. Les deux exemplaires peuvent être le même allèle ou deux allèles différents ; s’ils diffèrent, l’un peut être exprimé et l’autre porté en silence — et les mystères de l’album de famille se résolvent en mécanisme :
- le port sans affichage (Exemple 63.5) : l’allèle silencieux voyage sur le second partenaire ;
- l’enfant du groupe O né de parents A et B (Problème 63.1) : chaque parent portait O en silence, et la réduction de moitié a distribué les deux O ensemble ;
- l’enfant aux yeux bleus de parents aux yeux bruns : deux bleus silencieux qui se rencontrent — une chance sur quatre, quand chacun des deux parents en porte un : la réduction distribue le bleu de chaque parent avec une chance sur deux, et les deux distributions sont indépendantes.
Démonstration. Admis à ce niveau. ∎
Exemple 65.3 (Les groupes sanguins, entièrement mécanisés)
Un gène, trois allèles, deux exemplaires par personne : A avec A ou O montre le groupe A ; B avec B ou O montre B ; A avec B montre AB (les deux exprimés — les allèles ne sont pas toujours réductibles au silence) ; O avec O montre O. Tout le motif du registre des dons — y compris chaque « surprise » — est l’arithmétique de distributions à deux exemplaires.
65.2 L’ADN : la matière dans laquelle le texte est écrit
Définition 65.4 (L’ADN)
Chimiquement, un chromosome est une molécule d’ADN unique, immensément longue et enroulée (avec des protéines d’emballage) : un double brin — la fameuse échelle torsadée — dont les barreaux sont des paires de quatre lettres chimiques. L’ordre des lettres le long du brin est l’information : un gène est un tronçon de cette suite, comme une phrase est un tronçon de page. Quatre lettres, trois milliards d’exemplaires dans un jeu humain — assez de texte pour tout le mode d’emploi d’une construction, enroulé dans chaque noyau.
Exemple 65.5 (La voir soi-même)
L’ADN s’extrait à la cuisine : écrase une banane ou un oignon, ajoute de l’eau salée et un peu de liquide vaisselle (les membranes défaites — les enveloppes de Définition 45.1 sont sa cible), filtre, et verse de l’alcool froid par-dessus : à la limite des deux couches monte un écheveau de filaments blanchâtres, que l’on enroule sur un cure-dent. Ces filaments sont de l’ADN — la molécule même de ce chapitre, en vrais centimètres.
Proposition 65.6 (Ce que la structure de l’ADN explique)
Le double brin n’est pas une décoration — chacune de ses propriétés répond à une vieille question :
- la copie (les divisions fidèles de Proposition 29.7) : les deux brins se complètent lettre à lettre ; séparés, chacun reconstruit donc son partenaire — une échelle devient deux échelles identiques, une par cellule fille ;
- les allèles : les versions d’un gène sont de petites différences d’orthographe dans la suite — même adresse, lettres changées ;
- la mutation : la copie est presque parfaite, non parfaite — une rare lettre mal recopiée crée un nouvel allèle. Le plus souvent neutre, parfois nuisible, à l’occasion utile : la mutation est d’où viennent les orthographes neuves, et en fin de compte tous les allèles — la nouveauté brute dont Chapitre 68 aura besoin ;
- la lecture : une cellule se sert d’un gène en lisant sa suite et en construisant la molécule de travail correspondante — et chaque sorte de cellule lit sa propre sélection de la bibliothèque : l’énigme de Exercice 64.12, résolue comme promis.
Démonstration. Admis à ce niveau. ∎
Remarque 65.7 (Un seul code, toute la vie)
Le fait le plus profond vient en dernier : tout être vivant écrit ses gènes dans les mêmes lettres d’ADN et les lit avec le même code — le chêne, la levure, la baleine, les microbes de Chapitre 43, toi. C’est l’unité du vivant (Proposition 29.2) à son fondement, et la preuve la plus forte, à ce jour, de l’arbre de parenté (Remarque 44.8) : une langue partagée plaide pour une origine partagée. C’est aussi pourquoi le génie génétique fonctionne — un gène déplacé d’une espèce à une autre reste lisible, comme une phrase photocopiée dans un autre livre.
Méthode 65.8 (La lecture à trois niveaux)
Toute question d’hérédité se lit désormais à trois niveaux — exerce-toi à passer de l’un à l’autre :
- le niveau familial : qui montre, qui porte, qui transmet (Chapitre 63) ;
- le niveau chromosomique : quels fils, réduits de moitié puis rétablis, portent la distribution (Chapitre 64) ;
- le niveau moléculaire : quel gène, quels allèles, quelle orthographe — et, pour un caractère nouveau, quelle mutation.
Une seule histoire, trois grossissements ; une réponse est complète quand elle tourne aux trois.
65.3 Exercices
Exercice 65.1 ★
Définis gène et allèle, avec l’exemple des groupes sanguins.
Solution
Solution de Exercice 65.1.
Un gène est un segment de chromosome qui porte les consignes d’un caractère, à une adresse fixe ; les allèles en sont les versions — A, B et O pour le gène des groupes sanguins.
Exercice 65.2 ★
Pourquoi tout gène existe-t-il en deux exemplaires, et où se tiennent-ils ?
Solution
Solution de Exercice 65.2.
Parce que les chromosomes vont par paires : un exemplaire de chaque gène voyage sur chaque partenaire — l’un venant de la mère, l’autre du père, à la même adresse.
Exercice 65.3 ★
Qu’est-ce que l’information de l’ADN, physiquement ? Combien de lettres, de combien de sortes, dans un jeu humain ?
Solution
Solution de Exercice 65.3.
L’ordre des lettres chimiques le long du brin. Quatre sortes de lettres, environ trois milliards d’exemplaires dans un jeu humain.
Exercice 65.4 ★
Comment le double brin rend-il possible une copie fidèle ?
Solution
Solution de Exercice 65.4.
Les brins se complètent lettre à lettre : séparés, chacun reconstruit son partenaire, et une échelle devient deux échelles identiques — une copie complète par cellule fille.
Exercice 65.5 ★
Qu’est-ce qu’une mutation, et quels sont ses trois caractères possibles ?
Solution
Solution de Exercice 65.5.
Une rare erreur de copie — des lettres changées qui créent un nouvel allèle. Le plus souvent neutre, parfois nuisible, à l’occasion utile.
Exercice 65.6 ★
Énonce le fait de Remarque 65.7 et ses deux conséquences.
Solution
Solution de Exercice 65.6.
Tous les êtres vivants écrivent et lisent leurs gènes dans les mêmes lettres d’ADN et avec le même code. Conséquences : la preuve la plus forte d’une origine commune — et le fait que déplacer des gènes d’une espèce à l’autre marche, puisque la langue est la même partout.
Exercice 65.7 ★★
Mécanise l’enfant aux yeux bleus de parents aux yeux bruns : les exemplaires, les distributions, et le un sur quatre.
Solution
Solution de Exercice 65.7.
Chaque parent porte brun avec bleu — le brun exprimé, le bleu silencieux. Chacun distribue le bleu avec une chance sur deux ; les distributions sont indépendantes, donc bleu avec bleu tombe avec une chance sur quatre — l’enfant aux yeux bleus.
Exercice 65.8 ★★
Travaille Exemple 65.3 : donne les couples d’allèles derrière chacun des quatre groupes.
Solution
Solution de Exercice 65.8.
Groupe A : A avec A, ou A avec O. Groupe B : B avec B, ou B avec O. Groupe AB : A avec B — les deux exprimés. Groupe O : O avec O.
Exercice 65.9 ★★
Résous Exercice 64.12 dans les termes de ce chapitre : que lit un neurone que ne lit pas une cellule de peau ?
Solution
Solution de Exercice 65.9.
Les deux détiennent la bibliothèque entière — les mêmes 46 fils. Le neurone lit les gènes de la machinerie nerveuse et laisse fermés les chapitres de la kératine de la peau ; la cellule de peau fait l’inverse. La spécialisation est une politique d’emprunt, non une autre bibliothèque.
Exercice 65.10 ★★
Décris l’extraction à la cuisine et dis ce que fait chaque ingrédient de cuisine.
Solution
Solution de Exercice 65.10.
Écraser le fruit (les cellules ouvertes) ; eau salée et liquide vaisselle (les membranes — les enveloppes de la cellule et du noyau — dissoutes, l’ADN libéré et maintenu en solution) ; filtrer (les débris dehors) ; alcool froid versé par-dessus (l’ADN sort de solution à la limite des couches) : des filaments blanchâtres que l’on enroule — la molécule elle-même.
Exercice 65.11 ★★
Applique les trois niveaux de Méthode 65.8 au menton de la chapelle de Problème 63.1.
Solution
Solution de Exercice 65.11.
Niveau familial : le menton revient le long des lignes de la reproduction, porté sans être montré pendant une génération. Niveau chromosomique : son déterminant voyage sur un fil, réduit de moitié dans les gamètes et rétabli à la fécondation, distribué à certains enfants et non à d’autres. Niveau moléculaire : c’est un allèle — une orthographe d’un gène qui façonne le visage — copié fidèlement tout au long du siècle depuis la mutation qui l’a écrit la première.
Exercice 65.12 ★★★
« La mutation écrit, le brassage distribue, l’expression montre. » Attribue à chaque verbe son mécanisme et son chapitre — et dis lequel des trois crée des orthographes vraiment neuves.
Solution
Solution de Exercice 65.12.
La mutation écrit : les erreurs de copie créent des orthographes neuves — niveau moléculaire, ce chapitre. Le brassage distribue : la réduction de moitié et la fécondation remettent à chaque enfant une combinaison neuve — niveau chromosomique, Chapitre 64 (et Proposition 54.5). L’expression montre : des deux exemplaires distribués, ce qui est affiché et ce qui voyage en silence — la règle des deux exemplaires de ce chapitre. Seule la mutation crée des orthographes vraiment neuves ; les deux autres recombinent et révèlent ce que la mutation a écrit un jour.
65.4 Problème : la photocopieuse en panne
Problème 65.1
Problème du week-end — un gène suivi de l’orthographe à l’arbre généalogique
Suis un cas (inventé mais typique) : un gène de pigment dont l’allèle fonctionnel, P, construit un pigment de la peau et des cheveux ; il y a longtemps, une erreur de copie a créé l’allèle cassé p — mal orthographié au point d’être illisible, ne construisant rien. Les porteurs de P avec p ont l’air ordinaires ; un enfant qui reçoit p et p ne construit aucun pigment — des cheveux et une peau très clairs, des yeux fragiles au soleil (l’état existe chez beaucoup d’espèces).
Partie I — Niveau moléculaire.
- Nomme l’origine de p, d’après Proposition 65.6 — que s’est-il physiquement passé, une fois, dans la lignée reproductrice d’un ancêtre ?
- Pourquoi P avec p a-t-il l’air ordinaire ? Quel mot de vocabulaire décrit le voyage de p ?
- Pourquoi p avec p change-t-il la construction ? Qu’est-ce qui manque, et de quelle sorte de machinerie, au sens de Définition 65.1 ?
- L’état apparaît chez beaucoup d’espèces. Que prédit Remarque 65.7 sur l’orthographe de leurs gènes de pigment ?
Partie II — Niveaux chromosomique et familial.
- Deux parents porteurs (P avec p chacun) : donne les quatre distributions également probables pour un enfant, et la probabilité de la construction p avec p.
- Leur fille p avec p naît de deux parents d’aspect ordinaire. Quel mystère de l’album (Exemple 63.5) vient de se jouer, mécanisme complet ?
- Les enfants de cette fille avec un partenaire P avec P : que portent-ils tous, et que ne montre aucun d’eux ?
- Suis les véhicules de l’allèle sur une transmission : le voyage de p de la grand-mère au petit-enfant, fil après fil et gamète après gamète.
Partie III — Le compte rendu à trois niveaux.
- Écris le cas aux trois niveaux de Méthode 65.8, une phrase pour chacun.
- Un camarade demande pourquoi l’orthographe cassée n’a pas simplement été « réparée » il y a longtemps. Réponds par l’aspect ordinaire du porteur — où p se cache-t-il de tout jugement sur ses effets ?
- La protection solaire compte davantage pour la fille que pour ses parents porteurs. Relie le caractère, le couple d’allèles et le milieu en une phrase (le tissage de Proposition 63.4).
- Termine par l’image de la photocopieuse rendue exacte : ce qui copie, ce qui a été mal copié une fois, et pourquoi l’erreur est maintenant copiée fidèlement.
Solution
Solution de Problème 65.1.
1. Une mutation : une erreur de copie dans le gène du pigment, une fois, dans la lignée des gamètes d’un ancêtre — des lettres changées, les consignes gâchées, et la faute d’orthographe copiée fidèlement depuis.
2. Parce que les consignes fonctionnelles de P construisent le pigment quel que soit le partenaire silencieux : p voyage porté sans être montré — le mot de l’album, devenu moléculaire.
3. Avec p sur les deux partenaires, aucune consigne fonctionnelle n’existe à l’une ni à l’autre adresse : la machinerie du pigment — le produit du gène — n’est tout simplement jamais construite. Le caractère est l’absence d’une orthographe fonctionnelle.
4. Que leurs gènes de pigment sont reconnaissablement le même gène — des suites semblables dans le même code — des copies apparentées d’un seul texte ancestral, cassé indépendamment dans l’histoire propre à chaque espèce.
5. Les quatre distributions : P avec P, P avec p, p avec P, p avec p — également probables. La construction sans pigment : une chance sur quatre.
6. Le saut de génération : deux porteurs qui affichaient le pigment ont transmis ce qu’ils ne montraient pas, et les orthographes cachées se sont rencontrées — Exemple 63.5 joué mécanisme complet.
7. Tous portent un p — l’apport entier de leur mère à cette adresse est p. Aucun ne montre l’état : le P du partenaire construit le pigment chez chacun d’eux.
8. Le p de la grand-mère voyageait sur un chromosome d’une paire ; la réduction de moitié de son gamète a distribué ce partenaire dans la cellule œuf ou la cellule mâle qui a fait le parent porteur ; la réduction de ce parent l’a distribué de nouveau dans le gamète qui a fait le petit-enfant — du fil au gamète à la cellule œuf fécondée, deux fois de suite.
9. Famille : deux parents d’aspect ordinaire, un enfant sur quatre, le port prouvé par la naissance. Chromosome : les partenaires d’une paire portant P et p, réduits de moitié puis recombinés. Molécule : un gène, un allèle fonctionnel et un allèle mal orthographié, la différence d’orthographe décidant de tout.
10. De tout jugement : chez un porteur, le cassé de p est invisible — le P du partenaire le couvre, si bien que rien, dans la construction du porteur, ne « signale » la faute d’orthographe. Ce qui ne peut pas être vu ne peut pas être réparé ; les orthographes cachées persistent indéfiniment.
11. Son caractère (aucun pigment) est hérité — p avec p — mais sa conséquence est vécue dans un milieu plein de soleil : le pigment manquant était la crème solaire du corps, si bien que le milieu écrit sur elle plus que sur ses parents protégés — l’hérédité fixant la marge, le monde la remplissant.
12. Ce qui copie : le double brin, chaque moitié reconstruisant son partenaire à chaque division cellulaire et à chaque génération. Ce qui a été mal copié une fois : quelques lettres du gène du pigment, dans un gamète ancien. Pourquoi l’erreur persiste : la photocopieuse est fidèle — elle copie ce qui est là, les fautes d’orthographe avec la même fidélité que le sens.