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Mendel était-il mendélien ?
La double Hélice
  1. Conceptions historiques ↓
    1. Préformation et pangénèse ↓
    2. L'âge d'or de la génétique formelle ↓
    3. Le secret de la vie ? ↓
    4. Le gène une idée fausse ? ↓
    5. Le gène et l'évolution ↓
    6. Etat des lieux ↓
  2. Quelques définitions du gène dans les programmes scolaires français ↓
  3. Conceptions d'élèves ↓

Certains ont pu dire que le gène n'avait pas été découvert, mais inventé. Aujourd'hui, le concept de gène est de plus en plus difficile à saisir. Le mot est pourtant extraordinairement utilisé dans la société actuelle.

Conceptions historiques 


Que transmettent les parents à leurs enfants ? question fondamentale qui montre que le questionnement lié à l'idée de gène est présent bien en amont de la formulation du concept. S'y greffent quelques "sous" problèmes: quelle est la contribution de l'un et l'autre sexe ? comment le sexe lui-même est-il déterminé ? Enfin le questionnement lié au gène entretient de fortes relations avec le questionnement propre à l'idée d'évolution; l'un se situe dans un temps court: quelques générations tout au plus, l'autre dans un temps bien plus long, que l'esprit humain peine à se représenter.

Préformation et pangénèse

De nombreuses explications vont persister pratiquement jusqu'au 16e siècle, parallèlement les unes aux autres, sans qu'un débat contradictoire les oppose. L'engouement du moyen-âge pour les métamophoses et la génération spontanée repousse ces questions du côté de l'accessoire. Il est cependant possible de dégager deux grands courants d'idées, celui de la pangénèse (Il est ici question de l'idée de pangénèse et non du mot qui la représente, proposé bien plus tard par les historiens à la suite de l'invention du mot pangène par De Vries) et celui de la préformation. Le concept de gène est préparé dans la théorie de la pangénèse alors qu'il est nié par celle de la préformation.

Dans la pangénèse, chaque partie du corps contribue à sa reproduction
L'une des meilleures formulations de la théorie de la pangénèse est aussi l'une des plus anciennes et on la doit à Hippocrate: des fluides se forment dans tous les organes du corps et se rassemblent dans les organes reproducteurs pour déterminer les caractéristiques de l'enfant (chaque partie du corps se reproduit elle-même, d'ou le nom de pangénèse). Pour Hippocrate, la lutte entre les fluides masculins et féminins est incertaine, ce qui permet d'expliquer les variations observées d'une génération à l'autre.

La théorie de la pangénèse est reprise par Maupethuis (dans Vénus physique, 1752), qui lui donne une nature particulaire.

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Nicolas Hartsoeker. 1694. Essay de dioptrique. Paris, J. Anisson: 230. Source: Linda Hall Library.

Le texte suivant accompagne le dessin: «Si l'on pouvait voir le petit animal au travers de la peau qui le cache, nous le verrions peut-être comme cette figure le représente, sinon que la tête serait peut-être plus grande à proportion du reste du corps qu'on ne l'a dessinée ici. Domaine public.
Ovistes et animaculistes (animacule = spermatozoïde) s'opposent tout en s'accordant sur le fait que l'organisme préexiste (en miniature) à la fécondation
La théorie de la préformation se débarrasse de l'idée d'une construction progressive de l'individu: l'individu est déja présent (en miniature) dans la génération précédente. Cette théorie se développe considérablement au 17e siècle, en même temps que se répand l'usage du microscope et que des "animacules" sont découverts dans le sperme.

La théorie de la préformation implique obligatoirement une inégalité des sexes dans la contribution à la génération suivante puisque l'individu nouveau ne peut être préformé deux fois (une fois dans chaque parent); là ou la théorie de la pangénèse est ouverte (les deux sexes peuvent contribuer à la formation des descendants ou l'un des deux prédominer sur l'autre avec toute les gradations possibles), la théorie de la préformation oblige à choisir qui de l'ovule ou du spermatozoïde contient l'être miniature.

Une représentation devenue quasi iconique de la préformation (version spermatozoïde) est donnée par Nicolas Hartsoeker en 1694, bien que largement imaginaire (comme en témoigne le texte d'accompagnement). La théorie de la préformation n'est pas toujours aussi caricaturale que sa représentation imagée le suggère, néanmoins, elle est quand même très liée à une vision fixiste du monde vivant.

Pour Leeuwenhoek (1678), Leibniz et d'autres, l'oeuf (l'ovule) n'est qu'un milieu nutritif pour le spermatozoïde. Le spermatozoïde est cet homoncule dans lequel l'être est préformé.

Au contraire pour Charles Bonnet (1762) ce rôle est confié à l'ovule. Bonnet formule une hypothèse complémentaire, celle de l'emboitement des germes: l'ovaire initial d'Eve, la mère de toute l'espèce humaine, contient les germes de tous les êtres humains. Comme des poupées russes, ils sont emboités les uns dans les autres. Ils forment une file d'attente. Ils sont d'autant plus petits qu'ils sont appelés à naitre tardivement par rapport à La Création divine de la première femme. Les préoccupations philosophiques et religieuses ne sont jamais très loin.

Les résultats de Mendel ne susciteront d'intérêt que bien plus tard, dans le cadre des débats sur la théorie chromosomique de l'hérédité
Deux démarches se développent durant tout le 19e siècle: les hybrideurs expérimentent, recherchant l'origine de la variabilité en croisant des espèces ou des variétés (de même espèce), ou au contraire, sans l'avouer (Mendel ?) à montrer la fixité des espèces. En même temps un questionnement théorique se développe pour essayer de donner une réponse au problème du support physique de l'hérédité.

Chez les hybrideurs, l'histoire retiendra surtout les expériences réalisées par Mendel, exemple de précision et d'efficacité. Le travail de Mendel, pour remarquable qu'il soit du point de vue du recueil de données scientifiques, apporte peu de réponses : les "caractères" se transmettent indépendement les uns des autres (ce qui apparaitra plus tard comme un cas particulier) et réapparaissent inchangés dans la descendance. Autrement dit, les caractères différentiels des parents ne s'assemblent que temporairement. Ainsi, l'hybridation ne peut être la source de nouvelles espèces (ce qui contredit l'idée d'évolution et est probablement l'une des causes du dédain du travail de Mendel par ses contemporains).

Quelle est la nature physique de l'hérédité ? une question longtemps sans réponse
La recherche de la nature physique de l'hérédité suscite une réflexion plus collective (sans doute du fait que cette démarche reste purement théorique et spéculative). La plupart des propositions se situent dans le courant d'idées de la pangénèse.

Charles Darwin adapte l'idée de pangénèse à la théorie cellulaire et tente une généralisation entre reproduction assexuée et sexuée: les fluides d'Hippocrate deviennent des gemmules émises par chaque cellule qui se déplacent jusqu'aux bourgeons ou aux gamètes (Darwin, 1868 ↓ ).

La théorie de Karl von Nägeli est complexe et représente plus une théorie de la vie qu'une théorie de la reproduction. Les micelles sont des agrégats de molécules organiques. Les micelles peuvent s'organiser de manière très structurée et croitre un peu comme un cristal, mais en plus linéaire formant l'idioplasme, un réseau parcourant tout le corps.

Le modèle de Weismann s'appuie sur un vocabulaire tout aussi complexe que la théorie de Nägeli; on peut en extraire l'idée que les déterminants héréditaires ne sont intégralement conservés que dans les cellules germinales, alors que les cellules sommatiques perdent les déterminants qu'elles n'utilisent pas. Le modèle de Weismann explique la différenciation cellulaire, mais non l'hérédité des caractères acquis qui, à l'époque, reste largement admise et utile pour expliquer la variation dans une population.

De Vries renomme pangènes les gemmules de Darwin et limite leurs déplacements à la cellule (toutes les cellules d'un organisme possèdent les mêmes pangènes, mais ils agissent différemment d'un type cellulaire à l'autre).

Vers 1900 Correns, De Vries et Tschernak "redécouvrent" le mémoire de Mendel et en confirment les résultats. Mais ce qui est retenu de De Vries est la découverte de variations héréditaires brusques qu'il nomme mutations (On sait aujourd'hui que cette théorie est bâtie sur un cas exceptionnel qui ne correspond pas à une mutation "standard" telle qu'on se la représente aujourd'hui). L'idée des mutations apporte une réponse à la question de l'origine des variations (nécessaire à la théorie darwinnienne de l'évolution) et réconcilie les expériences d'hybridation avec le mouvement de pensée de la majorité des biologistes d'alors qui donne toute sa place à la théorie de l'évolution.

Le caractère hypothétique de toutes ces propositions (sur la nature physique de l'hérédité) mène à une impasse et cette voie de recherche ne se débloquera qu'avec l'élaboration de la théorie chromosique de l'hérédité et bien plus tard lors de l'élucidation de la structure de l"ADN.

Charles Darwin. 1868. Provisional Hypothesis of Pangenesis in The Variation of animals and plants under domestication. London, Murray. Source: pages.britishlibrary.net/charles.darwin/texts/variation/variation_fm1.html

L'âge d'or de la génétique formelle

La première (et peut-être la seule pertinente) des définitions du gène
«Le mot gène est libre de toute hypothèse [sur sa nature]; il exprime seulement le fait que de nombreux caractères de l'organisme sont déterminés dans les cellules germinales par des conditions (zustände) et des fondements (grundlagen), présents de manière unique, séparables et par conséquent indépendants.»
Le danois Wilhelm Johannsen crée le mot gène en 1909 en le définissant comme une entité de calcul permettant de rendre compte de la transmission de caractères héréditaires et en refusant par avance toute idée d'objet matériel.

Johannsen définit presque en même temps (1903) le génotype: l'ensemble des pangènes (renommés ensuite gènes) et le phénotype: l'ensemble des caractères. On remarquera qu'il est plus facile pour lui de définir le génotype qu'un gène individuel.

Rapidement, se pose la question de l'inné et de l'acquis (1) : le phénotype ne dépend pas en totalité du génotype, mais aussi d'une interaction "directe" avec l'environnement.

Dès 1891, Theodor Boveri affime (sans preuves) que «dans toutes les cellules issues de la division d'un oeuf, la moitié des chromosomes sont d'origine paternelle et l'autre moitié d'origine maternelle». En 1902, Walter Sutton observe le regroupement des chromosomes par paire en début de méiose puis leur séparation; il reprend l'hypothèse de Boveri en soulignant que les chromosomes pourraient constituer la base physique des lois mendéliennes de l'hérédité.

Les premières années du 20e siècle vont être extraordinairement fécondes dans le cadre de cette hypothèse.

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Reginald C. Punnett. 1907. Mendelism, 2e Ed: 53.

En s'aidant d'une schématisation devenue iconique, R. C. Punnett montre que le croisement de parents différant par deux couples de caractères dominants /récessifs, qu'il nomme dihybridisme, produit par croisement de la première génération par elle même 16 génotypes différents en seconde génération qui correspondent à 4 phénotypes différents (9 contenant A et B, 3 contenant A mais non B, 3 contenant B, mais non A et 1 ne contennant ni A ni B). Domaine public.
De nombreux chercheurs appliquent le protocole mendélien d'hybridation à diverses espèces végétales et animales. Les résultats de Mendel sont confirmés, mais pas complètement. En particulier on s'aperçoit que tous les caractères ne sont pas indépendants.

En croisant des Pois grands à graines jaunes (caractères dominants) avec des Pois petits à graines vertes (caractères récessifs), Reginald Punnett obtient en première génération des Pois grands à graines jaunes et, en seconde génération (par autofécondation de la première génération), des Pois grands à graines jaunes (dans la proportion de 9/16), des Pois grands et verts (3/16), des Pois petits et jaunes (3/16) et des Pois petits et verts (1/16) ce qui confirme les observations de Mendel.

Pour simplifier l'analyse on croise souvent la première génération, non par elle-même, mais par le parent portant les caractères récessifs (croisement-test ou croisement en retour ou back-cross), dans ce cas on obtient en seconde génération 4 phénotypes en proportions égales.

Mais chez le Pois de Senteur, si on croise des plantes à fleurs pourpre et à grains de pollens allongés (caractères dominants) par des plantes à fleurs rouges et à grains de pollen ronds, caractères récessifs, les 4 phénotypes de seconde génération ne sont plus en proportions égales, et les phénotypes nouveaux par rapport à ceux des parents (fleurs pourpre et pollen rond ainsi que fleurs rouges et pollen allongé), moins fréquents. Thomas Morgan va obtenir des résultats comparables en travaillant sur une petite Mouche, la Drosophile. Il utilise le terme de caractères liés pour désigner ces faits.

Et c'est une femme (par ailleurs aux qualités exceptionnelles) qui découvre le chromosome Y
A la même époque, Nettie Stevens, étudie la mitose et la méiose dont elle réalise de remarquables dessins chez divers insectes. En 1906 elle décrypte le déterminisme du sexe chez le Ténébrion (par la présence d'un petit chromosome chez le mâle, chromosome qu'elle nommera chromosome Y).

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Thomas Morgan. 1928. The Theory of Gene: 202. Domaine public.
L'étude des caractères liés, complétés par les observations et interprétations de F. Jansens (lequel propose l'échange de portions entre chromosomes regroupés par paire en début de méiose) permet de mettre en parallèle la ségrégation des caractères et celle des chromosomes dans les croisements et la méiose. Mais c'est surtout par l'analyse de croisements chez la Drosophile d'un caractère lié au sexe que Morgan apporte vers 1910 la preuve indiscutable que les gènes sont dans les chromosomes, validant ainsi l'idée émise en 1902 par Sutton.

L'établissement d'une première carte chromosomique du génome de la Drosophile dès 1915 (Thomas Morgan, 1915) représente en quelque sorte le triomphe de la théorie chromosomique de l'hérédité. On passe cependant sur le fait que la méthode ne s'applique qu'à des caractères secondaires ou anecdotiques dans la biologie des espèces concernées (les mutations qui rendent les mouches stériles ou non viables ne peuvent être étudiées) et on simplifie les conséquences d'une mutation sur le phénotype (en mettant de côté la pléiotropie).

Des situations plus complexes que celles présentés ci-dessus sont connues, mais l'analyse ne remet pas vraiment en cause la relation univoque (un gène - un caractère), tout au plus évoque-t-on quelques cas de gènes qui interagissent dans la réalisation du phénotype. Ainsi, dans l'ouvrage déjà cité de 1907, Punett explique le cas des Lapins noirs, gris et albinos: en croisant des Lapins noirs avec des Lapins albinos, la première génération est grise). Punnett l'explique par l'intervention de deux couples de caractères dominants/récessifs, gris/noir et gris albinos, malgré une certaine confusion dans le vocabulaire: le terme allèle (raccourci d'allélomorphe de William Bateson) définit comme une variante d'un gène ne sera utilisé que plus tard (?) et les adjectifs dominant/récessif lui seront transférés.

Seul Johannsen montre une extrême réticence sur le sujet. En 1926, il explicite le mot gène proposé précédemment en mettant en garde en contre une définition morphologique et en dénonçant la mise en correspondance d'un gène particulier à un caractère particulier (Johannsen, 1926: 167-168). Son analyse, qu'on qualifierait aujourd'hui de systémique est visionnaire.

La génétique formelle a eu (et a toujours) une place de choix dans l'enseignement, peut-être parce qu'elle se prête à la construction d'innombrables exercices que les élèves résolvent par une démarche algorithmique, qui s'apparente à des jeux de raisonnement logique ou à certains raisonnements mathématiques. La limite de cet enseignement est que, pour des raisons de transposition didactique (simplification), on tombe dans le piège dénoncé par Johannsen en donnant à penser qu'un gène correspond à un caractère (ou au moins en faisant comme si). A vrai dire, les enseignants ne sont pas seuls à faire cette erreur, comme le démontre la suite de l'histoire.

 (1) Dans la page consacrée au concept d'évolution, nous verrons que cette notion peut être remise en cause.
 Wilhelm Johannsen. 1903. Om arvelighed i samfund og i rene linier (Erblichkeit in Populationen und in reinen Linien, image.
 Wilhelm Johannsen. 1909 (1926). Elemente der exakten Erblichkeitslehre. Gustav Fischer, Iéna. image.
 T. H. Morgan, A. H. Sturtevant, H. J. Muller, C. B. Bridges. 1915. The Mechanism of mendelian Heredity. Henri Holt and company. pdf (esp.org).
 Thomas H. Morgan. 1928. The Theory of Gene. Yale University Press. pdf (esp.org).
 Reginald C. Punnett. 1905 (1907). Mendelism, 2ed. Bowes and Bowes, Cambridge. pdf (esp.org).
 Nettie Stevens, sur fr.wikipedia.org

Le secret de la vie ?

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La notion de gène; auteur: Thomas Shafee; crédit Wikimédia; © Creative Commons BY 4.0.
La découverte de la structure de l'ADN à l'origine du (mythe du) séquençage
Le développement de la biologie moléculaire (cf La double Hélice) a profondément modifié la perception du gène par les biologistes, en en faisant un objet matériel, à contre-pied de l'idée de Johannsen. Cette tentative se heurte à de redoutables difficultés comme le montre une définition des années 90 : «Le gène est un segment d'ADN ou d'ARN (certains virus) situé à un endroit bien précis (locus) sur un chromosome et porteur d'une information génétique. On distingue trois types de gènes (au niveau fonctionnel) : les gènes protéiques, les gènes spécifiant des ARN non traduits et les gènes régulateurs.» (2). Ainsi, il n'existe plus un gène mais des gènes.

Qui plus est, s'intéresser uniquement au support matériel, est bien réducteur (Descamps, 2003), et la définition précédente n'aborde d'ailleurs la fonction du gène qu'au niveau moléculaire. Définir un gène par sa nature physique ne nous apprend rien sur sa fonction au niveau de l'organisme. Si l'ADN représente bien un code, l'information contenue dans ce code n'est pas du tout homogène, autrement dit, si certains des "textes" que représentent des séquences de nucléotides nous sont facilement lisibles (les séquences codant une protéine responsable d'un phénotype bien identifié), on découvre de plus en plus qu'il s'agit de cas particuliers; dans les cas les plus communs ces "textes" nous sont inintelligibles et ne prennent sens que si on les considère dans un ensemble.

Pour compliquer encore les choses, en 1987, Yoshizumi Ishino découvre chez Escherichia coli des séquences répétées séparées par des séquences uniques de 20 à 40 paires de bases; après qu'elles aient été retrouvées chez toutes les bactéries, Ruud Jansen propose en 2002 de les nommer CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). L'un des rôles les mieux établis de ces séquences, est en association avec une séquence Cas codant une protéine, de constituer un mécanisme de défense contre les phages et les plasmides. De courtes séquences d'ADN viral sont intercalées dans les séquences répétitives et forment une "mémoire immunitaire". Les ARN produits par ces séquences permettent à l'enzyme Cas d'identifier l'ADN viral pour le détruire par coupure (Un système analogue mais non homologue nommé ARN interférent et semblant jouer un rôle régulateur existe chez les Eucaryotes). Ceci montre que le domaine des acides nucléiques est bien plus complexe qu'envisagé initialement. Par contre, les systèmes CRISPR-Cas et des ARNi permettent, en les détournant, la mise au point d'outils moléculaires facilitant considérablement l'édition des séquences d'ADN; les perspectives sont vertigineuses: Charpentier et Doundna, 2014).

Au fur et à mesure que notre connaissance des génomes progresse, il devient de moins en moins possible d'en rester à la vision simple d'un génome constitué de gènes indépendants les uns des autres.

 (2) Définition du gène. www.infobiogen.fr/services/deambulum/fr/bioinfo_glos.html#G (serveur disparu)
 Charpentier Emmanuelle et Doundna Jennifer. 2014. The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9. Science 346, DOI: 10.1126/science.1258096
 Descamps P.. 2002. Difficulté à définir le gène in Construction d'un concept scientifique : le gène. www.cndp.fr

Le gène une idée fausse ?

Seymour Benzer vs Jerry Hirsch
Dans les années 70 les deux chercheurs vont s'opposer dans le domaine de la génétique du comportement. En sélectionnant des populations de Drosophiles sur plusieurs générations, Jerry Hirsch montre que le comportement est au moins en partie déterminé génétiquement, mais ses choix expérimentaux ne permettent pas didentifier les gènes impliqués, ni de déterminer le rôle de chacun d'eux; surtout, Hirsch est persuadé que le comportement est un phénomène trop complexe pour être réduit au niveau de gènes indépendants (en.wikipedia.org). Au contraire, Seymour Benzer pense que les différentes étapes d'un comportement peuvent être dirigées chacune par un gène unique (3).

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Ralph Greenspan, 1995; © Pour la science.
Après avoir analysé des comportements comme la parade nuptiale de la Drosophile en terme d'étapes successives, Benzer et les collègues travaillant dans son laboratoire induisent de nombeuses mutations par utilisation d'agents chimiques et en analysent les effets sur le comportement (Benzer, 1973). Comme le souligne Michel Morange (Morange, 2011), Benzer met bien en évidence des gènes dont la mutation perturbe le comportement, mais ces gènes ne sont impliqués que de manière périphérique, leur fonction principale étant ailleurs. Ainsi Benzer identifie des gènes affectant le mouvement des ailes, d'autres jouant un rôle dans l'olfaction; les plus proches de ce que Benzer attend déterminent le phénotype sexuel (les caractères sexuels secondaires).

La parade nuptiale de la Drosophile est toujours un sujet activement étudié (Ralph Greenspan, 1995), mais ni Benzer, ni aucun chercheur depuis, n'a découvert de gène directement responsable d'une des phases de la parade nuptiale ou de toute la parade nuptiale. Les expérimentations menées dans le laboratoire de Benzer sont techniquement remarquables (en particulier l'utilisation de mutants "mosaïque"), mais Benzer et ses collabarateurs n'ont pas tiré toutes les conséquences de leurs résultats. Dans sa synthèse historique de 1995, Greenspan montre à ses dépends combien la remise en cause de l'idée qu'un comportement complexe s'explique par l'intervention d'un nombre limité de gènes est difficile; il écrit à tord: «Les nouvelles techniques de biologie moléculaires devraient permetttre de détecter la contribution des différents gènes aux caractéristiques comportementales (humaines)» ! Et pourtant, les expériences de Benzer donnent raison à Hirsch.

La génétique du spectacle
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Gènes hox de la Drosophile et segments dans lequels chacun est activé; crédit Wikimédia, domaine public.
En 1983 deux groupes de chercheurs travaillant à l'université de Bâle et à l'université de l'Indiana découvrent chez la Drosophile, une famille particulière de gènes, les gènes hox. On les retrouve chez beaucoup d'animaux (en fait tous ceux qui possèdent une symétrie bilatérale) et ils interviennent dans le déterminisme du phénotype d'un segment du corps en fonction de sa position sur l'axe antéro-postérieur. Ces gènes sont activés ou non en fonction de la position du segment sur l'axe antéro-postérieur; plus surprenant ces gènes sont disposés sur le chromosome dans un ordre qui correspond à la position sur cet axe du segment où ils sont actifs (sans que les raisons de cette disposition soient aujourd'hui réellement expliquées). Chez la Drosophile, la mutation la plus spectaculaire fait apparaitre des pattes à la place des antennes, parce que le gène Antp, normalement activé uniquement dans le thorax est activé dans la tête.

En fait les gènes hox font partie d'un ensemble plus vaste de gènes qui codent des protéines possédant une séquence particulière d'acides aminés aminés appelée homéodomaine; cet homéodomaine constitue trois hélices α (alpha) dont une se positionne sur la double hélice d'ADN; ces protéines (appelées aussi facteurs de transcription) jouent un rôle régulateur en favorisant ou en inhibant l'expression d'autres gènes. Toutefois la spécificité d'une protéine donnée à se fixer sur un gène particulier n'est pas due à l'homéodomaine, mais doit être recherchée dans les autres parties de la molécule.

Toutes ses singularités ont focalisé l'attention sur les gènes hox (par exemple dans le programme de seconde de 2001) alors qu'ils ne constituent qu'une partie des gènes de développement. La découverte de ces gènes a conforté (à tord) l'idée réductionniste selon laquelle les différentes étapes du développement d'un animal dépendent chacune d'un gène unique ou d'un nombre limité de gènes (chez l'Homme on ne connait que peu de maladies impliquant les gènes hox, comme la syndactylie, et les dysmorphies sont souvent associées à un retard mental). Hors la plupart des gènes du développement ne codent pas des facteurs de transcription, mais des éléments impliqués dans la communication entre cellules (Morange, 2011).

En 1993, Sydney Brenner (Heberle-Bors, 2001 ↓ ) propose de développer l'approche inverse (ou ascendante) allant du gène au phénotype (l'approche normale ou descendante sélectionne des phénotypes et cherche ensuite à caractériser les allèles responsables de ces phénotypes). En inactivant (4) un gène orphelin (c'est à dire dont la fonction n'est pas connue, en fait une séquence d'ADN repérée dans l'ensemble du génome), on devrait connaitre sa fonction par observation des modifications survenues dans le phénotype. Hors les résultats de cette approche ont plongé les généticiens dans la perplexité: l'inactivation d'un nombre important de gènes semble n'avoir aucune conséquence. L'explication couramment avancée est la redondance: le génome des eucaryotes serait bien plus complexe qu'on ne l'imaginait et un grand nombre de gènes fonctionneraient en réseaux capables de compenser la déficience d'un ou plusieurs de leurs éléments. Cette découverte (les gènes fonctionnnant en réseau ne pouvaient être repérés par l'approche "normale") devrait créer une révolution dans les conceptions dominantes en génétique jusqu'ici très réductionistes.

Vers une génétique systémique
Pire, l'étude statistique de la variabilité génétique humaine montre qu'à quelques exceptions près (l'autisme, la schizophrenie, etc.), il est difficile de mettre en relation des maladies communes avec des groupes de gènes clés, mais qu'au contraire un nombre considérable de gènes semblent impliqués dans chaque maladie (Pritchard, 2017). Une constatation qui pourrait s'expliquer, selon Pritchard, par l'interdépendance des réseaux de régulation des gènes et qui semble sonner l'échec de l'approche sous-tendant le HGP (Human Genome Project ou séquençage du génome humain).

 (3) Le débat n'est pas vraiment nouveau; à la fin du 19e siècle, déjà Francis Galton et Charles Davenport s'opposaient sur le même sujet, mais ils se rejoignaient en étant tous deux des eugénistes convaincus.
 (4) Par exemple, Souris knock-out (technique issue de la transgénèse), rendues ensuite homozygotes par croisement.

 Seymour Benzer. 1973. Genetic Dissection of Behaviour. Scientific American. Vol. 229, No. 6 : 24-37.
 Ralph J. Greenspan. 1995. Undestanding the Genetic Construction of Behavior. Scientific American april : 72-73 (La Génétique du comportement. Pour la science, 212 : 70-71).
 Heberle-Bors E., Spire ML.. 2001. Génie génétique: une histoire, un défi. INRA: 109.
 Michel Morange. 2011. Autour de la post-génomique. in Maryline Coquidé, Magali Fuchs-Gallezot et Stéphane Tirard (coordinateurs). La génomique. Vuibert, Adapt-SNES: 29-46.
Le terme de génomique désigne l'étude du génome (pris dans son ensemble) par opposition à la génétique d'avant le HGP (Human Genome Project, qui étudiait les gènes indépendement les uns des autres, ou presque). Le terme de post-génomique est utilisé, non sans ironie, par Morange pour marquer le relatif échec de la génomique et le changement de point de vue qui devrait découler de cet échec.
 Pritchard J. K. et al. 2017. An Expanded View of Complex Traits: From Polygenic to Omnigenic. Cell 169 (7), : 1177-1186.

Le gène et l'évolution

Une définition du gène, ne saurait être complète, comme pour tout élément biologique, hors du cadre évolutionniste.

Richard Dawkins (Dawkins, 1976 ↓ ), dans un exposé sans nuances, a contribué à la médiatisation de cette question. Les idées de Dawkins visent essentiellement à tout expliquer par les gènes, y compris les comportements complexes : «Nous sommes des machines à survie, des robots programmés à l'aveugle pour préserver des molécules égoïstes connues sous le nom de gènes.». Pour répondre aux critiques qui retiennent l'individu ou la population comme objet de la sélection, Dawkins précise qu'il faut distinguer l'individu, soumis à la sélection, du gène effectivement sélectionné, ce qui ne fait qu'introduire plus de confusion. A notre avis les idées de Dawkins ne résistent pas à la distinction des niveaux d'organisation (cf concept d'évolution).

La découverte des transposons par Barbara McClintock (Comfort, 2001 ↓ ) dans les années 40 n'a été comprise que bien plus tard (ce qui lui a valu le prix Nobel de médecine en 1983, à l'âge de 81 ans !). Les transposons (dénommés aussi avec plus ou moins de bonheur jumping genes) sont des segments d'ADN qui se recopient à différents endroit du génome, dans une cellule (5). Si les transposons constituent une confirmation spectaculaire de l'existence d'une sélection naturelle aux niveau des gènes, ils en donnent aussi les limites : un transposon semble n'être qu'un parasite pour l'organisme dont il fait partie (Orgel, 1980 ↓ ). A l'inverse, un gène qui a un sens pour l'organisme est presque toujours intégré dans un réseau fonctionnel et il ne peut évoluer qu'à travers cet organisme.

Ainsi l'environnement n'est pas seulement ce qui module l'expression des gènes (l'inné et de l'acquis), il est aussi en retour le filtre qui accepte ou non les changements de base de l'ADN, à partir de leur effet sur la protéine codée par l'allèle (ou de leur effet sur le reste du génome en absence de transcription), et donc de leur effet sur l'organisme.

 Comfort N.. 2001. Barbara McClintock's Search for the Patterns of Genetic Control. Harvard University Press.
 Dawkins R.. 1976. trad. Ovion L.. 1990. Le gène égoïste. A. Colin. Paris.
 (5) Kimball's Biology Pages. 2017. Transposons: Mobile DNA.
 Orgel L. Crick F.. 1980. Selfish DNA: the ultimate parasite. Nature 284 : 604-6077.

Etat des lieux

Pour conclure, la génétique formelle, en utilisant principalement des techniques de croisement à permis d'étudier l'hérédité des Procaryotes, de mettre en évidence des phénomènes de régulation et d'élaborer la théorie chromosomique de l'hérédité chez les Eucaryotes. Chez ces derniers les succès ont cependants été obtenus sur des exemples qui se révèlent aujourd'hui atypiques par leur simplicité (relation un gène - un caractère). Les définitions les plus anciennes du mot gène n'en sont pas moins des formulations restant opératoires dans un certain contexte, elles continuent (pour combien de temps ?) à représenter le concept lui-même. Incontournables sur le plan didactique, elles contribuent à à définir le corpus de connaissance de la discipline à condition d'éviter d'en généraliser les acquis dans les situations plus complexes (part de la génétique dans les maladies communes, explication des comportements, etc.).

Quand à la génétique elle-même, elle semble ne pouvoir survivre qu'en adoptant un paradigme systémique, qui génère une complexité redoutable.

Quelques définitions du gène dans les programmes scolaires français 


Programme de troisième (2.1) : «Les chromosomes portent les gènes, unités d'information génétique qui déterminent les caractères héréditaires. A un gène correspondent des informations différentes pour un caractère ce sont ses allèles. Les cellules possèdent pour un même gène, soit deux fois le même allèle, soit deux allèles différents.

Les conditions de vie peuvent modifier certains caractères. Ces modifications ne sont pas héréditaires. Chaque cellule possède l'ensemble du programme génétique de l'individu mais n'en exprime qu'une partie.

La reproduction sexuée crée au hasard un nouveau programme génétique» (à partir de celui des parents).

Programme de seconde (2.2) : «Chaque chromosome contient une molécule d'ADN qui porte de nombreux gènes. La séquence des nucléotides au sein d'un gène constitue un message. Les allèles ont pour origine des mutations qui modifient la séquence de l'ADN.»

Programme de première S (2.3) : «Un gène est défini comme une séquence de nucléotides d'un brin d'ADN déterminant la séquence d'un polypeptide donné. Un phénotype macroscopique résulte de processus biochimiques gouvernés par l'expression de plusieurs gènes ... l'effet des allèles d'un gène va dépendre également de l'environnement.»

Programme de terminale S (2.4) : «Le brassage intrachromosomique a lieu entre chromosomes homologues apparié lors de la prophase de la première division de méiose. Le brassage interchromosomique est du à la migration indépendante des chromosomes homologues de chaque paire lors de l'anaphase de la première division de méiose ...

Les innovations génétiques sont aléatoires et leur nature ne dépend pas des caractéristiques du milieu ...

les similitudes entre gènes sont interprétées comme le résultat d'une ou plusieurs duplications d'un gène ancestral. La divergence des gènes d'une même famille s'explique par l'accumulation de mutations.»

Programme de terminale S spécialité (2.4) : «[la théorie chromosomique de l'hérédité] contient les notions d'hérédité liée au sexe, de liaison génique et de recombinaison ... La séparation de la molécule d'ADN par les enzymes de restriction donne des fragments qui peuvent être repérés par électrophorèse, ce qui a rendu possible l'isolement, le séquençage et l'introduction des gènes dans les différents génomes grâce à des vecteurs pour les faire s'exprimer. »

Analyse : le programme de seconde (et plus encore l'impression que donnent les activités suggérées) est franchement mécaniste; Il n'est certe pas possible d'enseigner d'emblée un savoir parfait (comme l'a expliqué Guy Brousseau), mais il conviendrait de préciser le risque de la formation dans l'esprit des élèves d'une conception du "tout génétique", comme dans l'exemple de la mutation des levures ade-, ou celui des gènes à homéobox . Ainsi la simplificité apparente, et un peu "truquée" (2.5) de la relation gène ↔ caractère qui transparaît en seconde est plutôt en recul sur l'année précédente. Cette simplicité sera remise en cause en première S (pas pour tous les élèves) par l'étude de la traduction et la prise de conscience des différents niveaux de réalisation du phénotype. En terminale S, on soulignera le fait que ces mutations sont indépendantes du milieu (sauf par leur fréquence), un peu en contradiction avec l'idée lamarkienne, renforcée par l'utilisation des UV.

De même, la "beauté" de la molécule d'ADN (Crick) n'apparaîtra vraiment qu'en première S, une fois étudiée sa réplication.

2.1 BO n°10 du 15/10/1998.
(2.2)  A. du 10-7-2001. JO du 19-7-2001. Programmes d'enseignements communs des sciences de la vie et de la Terre . BO 2 Hors série . Ministère de l'Education Nationale. www.education.gouv.fr/bo/2001/hs2/seconde1.htm
(2.3)  A. du 1-7-2002. JO du 10-7-2002. Programme . BO 6 Hors série. Ministère de l'Education Nationale. www.education.gouv.fr/botexte/hs06020829/mene0201546a.htm
(2.4) A. du 20-7-2001. JO du 4-8-2001. Programme . BO 11 Hors série 2002. Ministère de l'Education Nationale. ftp://trf.education.gouv.fr/pub/edutel/bo/2002/hs11/annexe.pdf
(2.5) Ces mutations sont la plupart du temps des suppressions dont l'expression dépend de la concentration du milieu en adénine, ce dernier aspect étant masqué pour simplifier la démonstration.

Quelques conceptions d'élèves de 1ère 


Consigne : «définissez le mot allèle» (recueil effectué dans les années 2000, dans le cadre du programme de 2002).
Les élèves ont spontanément proposé de faire des schémas qui se sont révélés particulièrement intéressants (la question n'avait pas été posée directement ainsi car schématiser incite à une matérialisation).

Les réponses : Partie d'un gène qui définit un caractère chez un individu; partie d'un chromosome porteur (porteuse ?) de maladie; une allèle est la moitié d'un chromosome, elle porte les gènes responsables des caractères humains; une allèle est la composante d'un chromosome qui en comporte deux; il y a deux allèles dans un chromosome; caractéristique des gènes spécifique à chaque personne; partie droite (d'un chromosome) symétrique à la partie gauche; version d'un gène; ils sont normalement par deux; ils sont sur les chromosomes et plus précisément sur les chromatides; deux gènes jouant sur la même caractéristique de l'individu, l'un s'exprime le dominant, l'autre ne s'exprime pas, le récessif; l'allèle est un morceau de gène.

Analyse des réponses : les allèles vont par deux (mots deux, double). Un allèle est une version d'un gène, mais dans la tentative de matérialisation, allèle est souvent confondu avec chromatide (et gène avec chromosome), ce qui apparaît nettement dans une partie des dessins qui suivent :

conception d'élève
Maude
conception d'élève
Mandy
L'allèle est un morceau de gène.
conception d'élève Fabien
conception d'élève
Noémie
Un allèle est la moitié d'un chromosome; il y a deux allèles dans un chromosome.
conception d'élève
Marion
Les allèles sont sur les chromatides.

Contrairement à gène, le mot allèle ne fait pas partie du vocabulaire courant; la familiarisation repose quasi exclusivement sur les apprentissages scolaires. Il est donc à considérer que les obstacles repérés sont souvent d'ordre didactique (mais pas tous).

Deux sources peuvent être citées : La réification semble plus associée au programme de troisième qu'à celui de seconde; le paradigme du programme de troisième étant celui de la génétique formelle, les élèves se rattachent à ce qu'ils peuvent c'est à dire aux chromosomes. Le mot ADN n'est jamais utilisé dans les définitions. Une telle absence, alors même que le programme de seconde " va dans le sens de la pente" (matérialiste), est surprenante et mérite d'être confirmée par l'observation d'autres élèves.

 Jacob F.. 1970. La logique du vivant. Gallimard, Paris.

 Rumelard G.. 1986. La génétique et ses représentations dans l'enseignement. Peter Lang, Berne.

 Références générales


Raul Gagliardi. 1987. Le concept de fécondation et Histoire des concepts de chromosomes et de gènes, in André Giordan. Histoire de la biologie T2. Tec & Doc Lavoisier, Paris : 65-215.

Emile Guyénot. 1957. Les sciences de la vie aux 17e et 18e siècles, l'idée d'évolution. Albin Michel, Paris.

Anderson D. Fisher K.. 2002. Concept Cartoons About Evolution. https://sites.google.com/a/sduhsd.net/seventhgradescience/downloads

 Larry Gonick & Mark Wheelis. 1986. Guide illustré de la génétique (1983. Cartoon Guide to Genetics. Harper & Row, New York). Belin, Paris: 116-124.