Les variants du Covid 19 : origine et dynamique

LIAISON AVEC LE PROGRAMME
Niveau concerné Seconde
Partie du programme : La Terre, la vie et l’organisation du vivant
- L’évolution de la biodiversité au cours du temps s’explique par des forces évolutives s’exerçant au niveau des populations
PLACE DANS LA PROGRESSION
Ont été vues
- la partie ADN et codage de l’information génétique. Le logiciel de comparaison de séquence a déjà été utilisé
- la partie Biodiversité et ses variations. Les définitions de gène et d’allèle ont été rappelées
NOTIONS, COMPETENCES
Notions La dérive génétique est une modification aléatoire de la fréquence des allèles au sein d’une population au cours des générations successives. Elle se produit de façon plus rapide lorsque l’effectif de la population est faible.
La sélection naturelle résulte de la pression du milieu et des interactions entre les organismes. Elle conduit au fait que certains individus auront une descendance plus nombreuse que d’autres dans certaines conditions.

Notions fondamentales : maintien des formes aptes à se reproduire, hasard/aléatoire, sélection naturelle, effectifs, fréquence allélique, variation, population, ressources limitées.
Objectifs  : on illustre la dérive génétique et la sélection sur une échelle de temps court afin de montrer que l’évolution peut être rapide
Compétences
  • Utiliser un logiciel de modélisation et/ou extraire et mettre en relation des informations pour illustrer la sélection naturelle et la dérive génétique sur des temps courts.
  • Réfléchir sur les conséquences de l’apparition aléatoire de mutants sur la dynamique d’une population.
Le même exemple pourrait être utilisé en Terminale Enseignement Scientifique - Thème Une histoire du vivant : 3.2 L’évolution comme grille de lecture du monde

"Les concepts de biologie évolutive ont une large portée explicative, présentée ici à travers plusieurs exemples. Ils permettent de comprendre l’anatomie comme le résultat d’une longue histoire évolutive, faite d’adaptations, de hasard, de contingences et de compromis. "

PROBLEME A RESOUDRE
Quelle est l’origine des variants du Sars-cov2 ? Comment expliquer qu’ils deviennent majoritaires dans certaines régions ?
ACTIVITE
Durée : 2h Coût : 0 Sécurité : RAS
  • Déroulement de la séquence :

Document d’appel :

De nombreux variants du SARS-CoV-2 circulent sur le territoire, dont certains sont qualifiés de « variants d’intérêt » car leur impact (en termes de transmissibilité, de virulence ou d’échappement immunitaire potentiel) justifie la mise en place d’une surveillance et de mesures de gestion spécifiques au niveau national, dans l’objectif de contenir leur progression.
Proportion de suspicion de variant d’intérêt 20I/501Y.V1 en mars 2021 par département en France

Source : https://www.santepubliquefrance.fr/dossiers/coronavirus-covid-19/covid-19-cartographie-des-variants-en-france-donnees-par-region-et-par-departement

Le variant anglais, qui n’existait pas au début de l’épidémie l’an dernier, représente aujourd’hui une majorité des cas dans plusieurs régions, à la place de la souche d’origine détectée à Wuhan (Chine)

On cherche à expliquer :

  • L’apparition des variants à partir du virus détecté à Wuhan (Chine) en 2019
  • L’augmentation de la fréquence de ces variants dans la population du virus

Activité 1 : L’origine des nouveaux variants

Consigne  : On propose que les variants apparaissent suite à des mutations.
Afin de le vérifier, aligner les séquences de l’information génétique d’un variant avec le virus de Wuhan pour les comparer
Ressource complémentaire  : Le génome de SARS-CoV-2 se compose d’un filament d’acide nucléique (famille de l’ADN) qui porte 29 981 nucléotides
COMMUNICATION DES RESULTATS, OBSERVATIONS, RECHERCHES

La communication des résultats peut prendre la forme d’une capture d’écran titrée.

Comparaison des séquences génétique duSARSCOV2 de Wuhan et d’un variant dans Genigen2
LES RÉPONSES ATTENDUES

Pour l’exploitation, l’élève devra faire le lien entre les différences observées et la définition apprise d’une mutation, en ayant en tête que le variant est un descendant de la souche d’origine.

Pour aller plus loin :

Activité 2 : L’AUGMENTATION DE LA FREQUENCE DES NOUVEAUX VARIANTS DANS LA POPULATION DES VIRUS

Dans cette partie, on propose aux élèves de travailler sur des modèles.
Nous vous proposons ici des modèles utilisables mais ils sont éminemment perfectibles et une partie du travail de modélisation est justement de jouer sur les paramètres de ces modèles pour les améliorer.
1ère hypothèse : On propose que l’augmentation de la fréquence des variants soit le résultat d’une dérive génétique
Démarche  :
  • Cette hypothèse se justifie par le faible nombre d’individus porteurs du virus en début d’épidémie. Nous avons donc ici une petite population.
  • On relèvera après 500 tours le variant dominant dans la population.
  • Pour rester dans la définition de la dérive génétique, afin d’avoir les conditions d’allèles neutres, les deux variants sont équivalents : aucun n’est plus contaminant que l’autre.
    On pourra toutefois à terme lancer le modèle avec l’un des variants plus contaminant et on verra alors qu’avec un faible effectif, il n’est pas si évident qu’il deviennent dominant dans la population. Il faut vraiment lui donner un avantage important pour cela.
  • Résultat attendu : la dérive étant aléatoire, des modélisations successives ne donneront pas le même résultat, c’est à dire que le modèle ne donnera pas à chaque fois le même variant dominant.
  • Description du modèle proposé :
Modèle pour la dérive génétique

On part d’une population avec 2000 individus sains et 20 contaminés : 10 avec le virus de Wuhan et 10 avec le variant anglais.

    • Agents du modèle :
Sujets sains


On part d’une population avec 2000 individus qui se déplacent

Sujets contaminés 1 (Wuhan)


Ils sont 10 au départ. La demie vie de 150 correspond au fait que ces sujets vont guérir. Cela évite d’ajouter une règle de guérison qi aboutirait à des sujets guéris qui viendraient alourdir le calcul par le logiciel.

Virus 1 (Wuhan)

C’est le virus originel, émis autour d’eux par les sujets contaminés 1. Ils se déplacent et ont une demie vie très courte

Sujets contaminés 2 (anglais)


Ils sont 10 au départ. La demie vie de 150 correspond au fait que ces sujets vont guérir. Cela évite d’ajouter une règle de guérison qi aboutirait à des sujets guéris qui viendraient alourdir le calcul par le logiciel.

Virus 2 (anglais)

C’est le virus originel, émis autour d’eux par les sujets contaminés 2. Ils se déplacent et ont une demie vie très courte

Tous les placements des sujets au départ sont aléatoires : ici le hasard intervient sur le nombre d’individus sains qui vont entourer un sujet contaminé et être donc susceptibles d’être eux-mêmes contaminés.

    • Comportements dans le modèle
Emission 1

Le sujet contaminé 1 émet le virus 1 dans son environnement

Contamination 1


Lorsqu’un sujets sain rencontre un virus 1, il devient contaminé 1

Emission 2

Le sujet contaminé 2 émet le virus 2 dans son environnement

Contamination 2


Lorsqu’un sujets sain rencontre un virus 2, il devient contaminé 2

Population
Cette règle sert à augmenter le réservoir de sujets sains à contaminer, pour représenter l’épidémie dans une plus grande population que ce que le maximum permis par le logiciel au départ.
On observe en effet que sans cette règle, l’épidémie progresse peu et "s’effondre" à un moment, comme si le vide se faisait rapidement autour des sujets contaminés.
En faisant apparaître de nouveaux sujets sains, on observe une augmentation qui ressemble plus à l’exponentielle attendue.
Résultat obtenu en suspendant les règles Population

Résultat obtenu avec les règles Population

COMMUNICATION DES RESULTATS, OBSERVATIONS, RECHERCHES

La communication des résultats peut prendre la forme de captures d’écran titrées.

Résultats de trois essais successifs avec les mêmes conditions initiales dans le modèle de dérive génétique
Légende :

  • en rose le nombre de Contaminés 2 (Variant)
  • en marron le nombre de Contaminés 1 (Souche Wuhan)
Essai 1 Essai 2 Essai 3
LES RÉPONSES ATTENDUES

Pour l’exploitation, l’élève devra faire le lien entre l’observation que le variant dominant en fin de modélisation n’est pas toujours le même et l’aspect aléatoire de la définition de la dérive génétique.
L’augmentation de fréquence peut ici s’expliquer par une dérive génétique.

2ème hypothèse : On propose que l’augmentation de la fréquence des variants soit le résultat d’une sélection naturelle
Démarche  :
  • Cette hypothèse se justifie par la plus forte contagiosité du variant (40% ?)

On peut alors demander aux élèves de transformer le modèle précédent pour rendre compte de cet avantage du variant.
Plusieurs possibilités (à tester) s’offrent à eux :

    • dans la règle Emission 2, augmenter la probabilité
    • dans la règle Emission 2, augmenter le nombre de virus émis
    • pour l’agent Virus 2, augmenter la demie vie.
    • pour la règle Contamination 2, augmenter la probabilité
    • pour l’agent Contaminé 2, augmenter la demie vie.
    • ....
  • On relèvera après 300 tours le variant dominant dans la population. (Seulement 300 tours car le logiciel est rapidement en difficulté à cause du nombre d’agents trop important)
  • Pour sortir de la définition de la dérive génétique, il faut augmenter le nombre de contaminés au départ. Ici ils sont au nombre de 300 au départ.
    On rencontre là une des limites techniques imposées par le logiciel qui rencontre des difficultés à gérer un trop grand nombre d’agents.
    On peut être contraint d’exagérer les avantages du variant pour contrebalancer l’effet de dérive lié à un effectif insuffisant.

    Il est toutefois très intéressant de s’en rendre compte et d’y réfléchir avec les élèves car cela souligne bien l’importance de la dérive et vient contrebalancer la logique simple et l’intuition du plus avantagé qui l’emporte.
  • Résultat attendu : le variant étant plus contagieux, il est avantagé : on s’attend donc à ce qu’il soit rapidement dominant dans la population.
  • Description du modèle proposé :
    Modèle sélection naturelle

Le variant a été rendu plus contagieux en jouant sur plusieurs paramètres : probabilités d’émission et de contamination, nombre de virus émis.

Pour la souche Wuhan
Pour le variant
COMMUNICATION DES RESULTATS, OBSERVATIONS, RECHERCHES

La communication des résultats peut prendre la forme de captures d’écran titrées.

Résultats de trois essais successifs avec les mêmes conditions initiales dans le modèle de sélection naturelle
Légende :

  • en rose le nombre de Contaminés 2 (Variant)
  • en marron le nombre de Contaminés 1 (Souche Wuhan)
Essai 1 Essai 2 Essai 3
LES RÉPONSES ATTENDUES

On observe que le variant dominant en fin de modélisation est cette fois toujours le même et c’est celui qui est le plus contagieux : il n’est pas aléatoire et c’est celui qui est avantagé.
L’augmentation de fréquence peut ici s’expliquer par sélection naturelle.

En conclusion

La conclusion pour la partie Augmentation de la fréquence est justement qu’on ne peut pas conclure : le fait qu’un variant domine dans la population peut s’expliquer ici aussi bien par dérive génétique, à cause du faible nombre d’individus infectés au départ que par une sélection naturelle.

Cet exemple est toutefois intéressant d’un point de vue pédagogique sur cette notion si souvent mal comprise qu’est la sélection naturelle.
En effet, contrairement au sempiternel exemple des phalènes, il ne s’agit pas ici d’une sélection par prédation mais plus directement d’un avantage reproductif, plus proche du cœur de la sélection naturelle. Pour une fois, on en braque pas les projecteurs sur le fait de mieux survivre mais surtout d’avoir plus de descendants.

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