Epistémè - Le jeu de la sélection et du hasard

Le jeu de la sélection et du hasard [Argumentaire 2]

De la même façon que dans l'activité Aux origines des oiseaux, l'objectif est de contrer une objection erronée formulée par l'adversaire et clairement signalée (ici : en gras, italique et souligné).

 

Objectifs 

Les élèves découvrent le rôle du hasard dans la théorie de l’évolution et le rôle précis de la sélection naturelle, par opposition à une vision finaliste de l’évolution.

Ce que font les élèves 

Les élèves utilisent différents jeux de cartes comme support d’expériences de pensée pour mieux comprendre le rôle du hasard et le caractère aveugle des processus d’évolution.

Ce que fait l’enseignant 

L’enseignant présente aux élèves les différents supports de leur raisonnement et les aide à progresser dans celui-ci (notamment en manipulant ou modifiant les supports présentés).

Liens avec les notions disciplinaires 

Relier l’étude des relations de parenté entre les êtres vivants et l’évolution.

Mettre en évidence des faits d’évolution des êtres vivants.

Compétences, attitudes travaillées 

Raisonnement, discrimination, esprit critique

Argumentation

Production

Réponse rédigée à l’adversaire

Matériel 

Jeux de cartes et documents fournis

Durée 

2-3 séances

 

Dans le deuxième argumentaire, une objection fausse qui est proposée aux élèves est la suivante : Cette complexité chez l’oiseau s’explique par le but précis de voler, et ne peut résulter du hasard. L’argument consiste à dire qu’il n’y a rien d’aléatoire dans les êtres vivants, mais que tout est finement pensé. Cet argument est une vision finaliste qui est associée à une intentionnalité (voir éclairages). L’objectif de ces activités est de montrer que l’on peut décorréler les notions de complexité et d’intentionnalité et de montrer le rôle du hasard dans la création de la diversité, malgré l’apparence contre-intuitive de cette idée.

La première activité consiste à bien replacer le rôle du hasard dans la théorie de l’évolution. Il est incorrect de dire que cette théorie postule que le hasard est à l’origine des adaptations observées chez les êtres vivants. En revanche, le hasard est indispensable car c’est lui qui, par le biais des mutations, est à l’origine de la diversité observée chez les êtres vivants (les différents allèles d’un gène et donc les différents états d’un caractère étudié, à l’intérieur d’une population). Le but de l’activité est donc de bien délimiter les rôles respectifs du hasard et de la sélection naturelle dans la théorie de l’évolution.

Dans le même argumentaire, une autre objection est formulée en faveur d’une vision finaliste : c’est le caractère apparemment parfait des choses. Complexité et apparente perfection sont en effet les deux éléments qui rendent difficile l’acceptation d’un mécanisme évolutif graduel et impliquant partiellement le hasard. L’objection est formulée ainsi : On n’observe que des oiseaux parfaitement adaptés à leur environnement, car ils ont été ainsi faits (par une Nature bienveillante, par une intelligence prévoyante …). C’est un autre aspect de l’argument d’intentionnalité, tel que Paley l’a développé (voir éclairages).

Il est vrai qu’un processus « aveugle » comme celui postulé dans la théorie darwinienne de l’évolution (couple mutation – sélection) devrait conduire à des éléments moins parfaits que s’il était le résultat d’un processus intentionnel. Des observations confirment cette hypothèse. Dans la deuxième activité, on va donc utiliser le cadre d’une course aux armements entre les coucous et leurs hôtes pour illustrer des exemples où l’on s’éloigne des attendus d’une hypothèse d’un processus intentionnel et on étaye le caractère aveugle de l’évolution.

La dernière activité de cette séquence fait écho à une dernière objection finaliste : Tout chez l’oiseau, et notamment ses plumes, est « fait pour voler ».

 

Activité 1 : Vous avez dit hasard ? (1h)

Objectif : Bien replacer le rôle du hasard dans la théorie de l’évolution.

Dans cette activité, les élèves disposent d’un paquet de 60 cartes, chaque carte contenant une lettre (2 alphabets + quelques voyelles, surtout E puis A, I, O). Les cartes sont mélangées et disposées face cachée. Les élèves doivent commencer par tirer au sort 4 cartes et les poser face visible de façon alignée, comme pour former un mot.

Dans un premier temps, les élèves se placent dans le cadre où seul le hasard joue. Ils tirent donc au hasard les cartes et les positionnent de gauche à droite successivement. Le but du jeu étant de former un mot (on acceptera aussi les noms propres et les verbes conjugués !), on arrête de poser des cartes dès qu’un mot apparaît et on compte le nombre de cartes nécessaires à cela. On considère qu’au bout de 30 cartes, le jeu est perdu !

Dans un second temps, les élèves sont invités à modifier une règle pour ajouter de la sélection. Le mécanisme analogue de la sélection naturelle est le choix fait par l'élève de conserver la carte s'il estime que la nouvelle lettre posée augmente les chances de parvenir à un mot. L’élève peut donc avoir le droit de poser ou non la carte, une fois que celle-ci a été tirée au hasard. (Une variante qui pourrait être proposée par les élèves est d’avoir le droit de choisir également où poser la carte à chaque étape. L’analogie nous semble cependant plus pertinente avec une modification équiprobable de chaque lettre (représentée par le fait qu’on passe de lettre en lettre) et le choix limité à celui de la conservation ou non de la mutation. Dans le cas de la variante, la probabilité de faire apparaître un mot augmente et le nombre de cartes nécessaires diminue).

L’objectif de ce jeu de cartes est simplement de montrer que la combinaison du hasard et d’une sélection lente suffit à faire apparaître quelque chose de « complexe » comme un mot de 4 lettres. Le hasard intervient d’abord et crée de la diversité. La sélection intervient après et trie cette diversité. Sans elle, le hasard est effectivement insuffisant pour produire le niveau de complexité attendu. Mais il n’en est pas moins indispensable car sans diversité, pas de tri possible.

 

La suite de l’activité consiste à expliciter de façon très précise le parallèle entre ce jeu et la théorie de l’évolution. Les élèves sont alors invités à reprendre leur simulation initiale sur les pinsons et à préciser où et comment intervient le hasard dans cette simulation et donc plus largement dans la théorie de l’évolution. Il s’agit de guider les élèves dans l’idée que le hasard est à l’origine de la diversité mais qu’il ne représente pas la force évolutive qui mène à l’adaptation. Les mutations aléatoires précèdent la sélection. Si, sur le long terme, une impression de « direction » est créée par ce mécanisme (les becs des pinsons évoluent dans le sens d’une capacité à prélever de la nourriture et même se spécialisent), elle n’est que le résultat de ce jeu couplé de la mutation et de la sélection à plus court terme.

Pour aider les élèves à faire ce lien, des questions peuvent leur être posées, parmi lesquelles : Est-ce le hasard qui a fait apparaître les mots ? Où intervient le hasard ? Qu’est-ce qui est indispensable de rajouter au hasard pour obtenir des mots ? De la même façon, qu’est-ce qui relève du hasard et qu’est-ce qui ne relève pas du hasard dans la simulation avec les pinsons ? …

 


NOTES

Il est important bien sûr de montrer les limites de notre jeu. Dans notre cas, c’est un humain – l’élève – qui décide de la valeur adaptative finale de la carte posée. La sélection naturelle ne peut pas fonctionner ainsi. Elle ne favorise que ce qui est bénéfique à court terme. Pour rendre correcte notre modélisation, il faudrait préciser que le fait de choisir si la carte est bonne correspond à un avantage évolutif immédiat (comme un animal qui devient légèrement mieux camouflé avec cet état du caractère) et non pas à un avantage évolutif à long terme (anticipation d’une modification de l’environnement). Quelle que soit la modalité utilisée par l’enseignant, il est important de discuter des limites d’une modélisation et en l’occurrence de ne pas substituer un finalisme à un autre.

 

L’enseignant peut proposer à ses élèves de lire un extrait de De l’origine des espèces dans lequel Charles Darwin expose sa vision des choses. Les connaissances en génétique de l’époque étant quasiment nulles (les lois de Mendel ne seront connues de la communauté scientifique que 40 ans plus tard), Darwin évoque de façon imprécise l’idée d’un « hasard ».

Tiré de De l’origine des espèces

 


 

Activité 2 : La course aux oeufs (1h)

Objectif : Donner des éléments de réponse à l’objection finaliste selon laquelle la perfection de la nature (des adaptations parfaites) ne peut pas être expliquée par le « hasard » : montrer que les adaptations ne sont pas « parfaites ».

 

Après avoir présenté le parasitisme de couvée et le mimétisme de certains œufs, l'enseignant illustrera des cas où le mimétisme est moins net, voire complètement absent. On va chercher à expliquer ces différents faits par une expérience de pensée. Les scientifiques et les philosophes peuvent avoir recours à des expériences de pensée pour illustrer leur raisonnement et ainsi progresser dans la résolution d’un problème. Pour rendre plus tangible cet exercice, les élèves vont utiliser un jeu de cartes divisé en deux parties :

- l'une représente l’ensemble des modifications que peut connaître l’œuf du coucou ;

- l’autre représente l’ensemble des modifications.

 


NOTE

Il est vraiment important de préciser d’emblée que l’évolution que les élèves modélisent ne concerne pas un individu, mais une lignée d’individus qui se transmettent des caractères ! Les mutations ne concernent pas des modifications dans la vie d’un individu mais l’histoire évolutive d’une population. De même, les « affrontements » réalisés ne sont là que pour le jeu et peuvent correspondre dans la réalité à la rencontre de deux individus qui sont le résultat d’une lignée mais on ne peut pas interpréter une défaite comme l’extinction d’une espèce.


 

Une fois ce cadre posé, les élèves peuvent une nouvelle fois utiliser le jeu en deux étapes. La situation de départ est la suivante :

- Les œufs du coucou sont très différents de ceux de l’hôte (aucune ressemblance dans les 4 critères choisis) ;

- Les capacités de l’hôte à discriminer les œufs sont nulles (aucun critère de discrimination parmi ceux choisis).

Les cartes sont à retrouver dans la fiche "cartes oeufs".

 

La course aux oeufs [PHASE 1]

Dans un premier temps, les élèves jouent au jeu dans l’hypothèse d’un processus intentionnel.

  • Ils doivent ainsi chacun prendre connaissance du paquet qu’ils ont à leur disposition (l'un est l’hôte, l’autre le coucou) et choisir 3 cartes qu’ils estiment être des améliorations de leur point de vue. Une fois leur choix fait, ils posent les cartes devant eux.
  • C’est le « coucou » qui commence et il explique à quoi ressembleront ses œufs.
  • Ensuite, l’hôte explique les capacités de discrimination qu’il possède et les élèves en déduisent ensemble si les œufs du coucou sont rejetés ou non !
  • Ils peuvent recommencer une ou deux parties pour s’approprier le fonctionnement du jeu.

Dans ce jeu, le coucou est désavantagé car il ne gagne que dans le cas où il choisit la combinaison opposée à son adversaire. Comme il y a 4 combinaisons, il a une chance sur 4 de gagner. Il ne faut pas chercher à interpréter ces données, elles sont là pour l’aspect ludique. En revanche, la consigne consiste à préparer les élèves à comparer les résultats dans cette hypothèse et dans la suivante, donc à  quantifier l’amélioration observée chez les deux espèces avant et après son intervention. Pour cela,

  • les élèves attribuent une note sur 4 avec un point par critère amélioré. En cas de choix raisonné, le niveau d’amélioration de chaque espèce doit être de 3. On pourrait même dire qu’il est de 3 en 3 tentatives (100%).

 

La course aux oeufs [PHASE 2]

Dans un second temps, les élèves jouent au jeu dans l’hypothèse d’un processus aveugle. Une discussion peut permettre de faire émerger quelques règles. On peut évoquer le jeu de l’activité 1 pour guider la réflexion des élèves.

  • Il s’agit donc de tirer les cartes de façon aléatoire (face cachée) et successivement.
  • Le jeu va durer 6 tours. Si à la fin des 6 tours l’hôte n’est pas capable de repérer les œufs du coucou, c’est le coucou qui gagne !
  • Dès que l’hôte est capable de discriminer les œufs du coucou, le coucou perd. Pour équilibrer le jeu, nous avons introduit les règles suivantes :
  • L’hôte n’acquiert la capacité de discrimination que lorsqu’il y a 2 mutations pour les critères de taille et de forme et 3 mutations pour les critères de couleur et de motif.
  • Le coucou ne conserve pas une mutation qui l’élimine immédiatement (on la considère contre-sélectionnée).
  • Par contre, il ne peut pas choisir d’éliminer une mutation parce qu’il prédit qu’elle lui sera utile par la suite. La sélection n’anticipe pas, même si ça va à l’encontre de la logique du joueur.

 

La course aux oeufs [Règles optionnelles]

Voici deux règles complexes mais plus réalistes :

  • Les mutations étant neutres, elles ne sont pas obligatoirement conservées par le coucou. Après avoir tiré sa carte, l’élève lance un dé. Pour un résultat de 1 ou 2, la mutation n’est pas conservée. Dans le cas contraire elle est conservée (on considère la dérive génétique particulièrement forte !).
  • Lorsque l’hôte possède 2 mutations pour la couleur et le motif, il est déjà capable d’éliminer les œufs non blancs et les œufs non unis, mais il ne fait pas encore la différence entre les couleurs et les motifs de façon fine !

 

On invite l’élève à comparer le niveau de perfectionnement du coucou (pour l’hôte, les conditions ont changé, il n'est donc pas possible de faire de comparaison correcte) au bout de 3 tours, et de 6 tours. La création de diversité se faisant de façon aléatoire, ce perfectionnement diminue. De plus, la sélection étant aveugle, certaines bonnes mutations peuvent être éliminées car elles ne sont pas avantageuses à un instant donné, même s’il est évident qu’elles auraient pu être utiles plus tard.

 

Les élèves peuvent recommencer une ou deux fois le jeu. Dans le cas où le coucou « gagne », les élèves doivent dessiner le nid correspondant à la situation. Voici un exemple possible :

 

 

Pour conclure sur cette même idée, voici deux exemples supplémentaires qui illustrent l’idée d’un processus aveugle, et pas toujours aussi parfait qu’on pourrait le concevoir. On a volontairement choisi un exemple côté de l’hôte et un exemple côté parasite :

 

 

 

Activité 3 : Faites pour voler ? (1h)

Objectif : Donner des éléments de réponse à l’objection finaliste selon laquelle les traits répondent à une fonction précise.

 

Des photographies sont présentées aux élèves, elles montrent des oiseaux dans différentes situations. Dans chaque cas, on peut observer le plumage de l’oiseau (voir la Fiche Plumages d’oiseaux).

D’autres images sont disponibles sur ce site : https://askabiologist.asu.edu/images/feather-gallery

L’activité correspond à un card sorting game : il s’agit de regrouper des cartes qui représentent des concepts ou, dans ce cas, des plumes.

 

Phase 1

Dans un premier temps, les élèves, par groupes de deux, observent les cartes (sous l’axe du plumage, donné par le professeur) et se mettent d’accord sur une méthode de classement et sur un nom pour chaque classe.  En grand groupe, on partage les différents regroupements  et leurs noms, en justifiant ses choix.

 

Phase 2

Dans un second temps, les élèves doivent se mettre d’accord pour classer les mêmes observations selon un critère donné par l’enseignant : la fonction des plumes que la photographie pourrait mettre en évidence.

Parmi les fonctions assurées par les plumes, on trouve :

  • ornementation pour les parades et choix du partenaire sexuel
  • vol
  • isolation thermique
  • étanchéité

Les deux dernières hypothèses pourraient faire l’objet de tests expérimentaux (voire propositions ultérieures).

La dernière partie de l’activité, consiste à adopter la même démarche pour un dinosaure dont on a pu reconstituer les couleurs des plumes. Certains dinosaures possédaient déjà des plumes, alors qu’ils ne savaient pas voler ! La plume est donc apparue avant le vol, et elle devait bien posséder une fonction. On peut penser à l’isolation thermique mais les colorations fortes reconstituées à partir de certaines études (voir éclairages) permettent de faire l’hypothèse d’une fonction dans la sélection sexuelle. Aujourd’hui, les plumes servent à un très grand nombre d’usage, bien loin des raisons pour lesquelles elles ont été sélectionnées dans un premier temps. Cette réutilisation des éléments au cours de l’évolution est compatible avec le processus aveugle développé dans ces activités, loin de l’interprétation finaliste dont on se fait intuitivement des adaptations.

 

 

Production et évaluation (15’ à la fin de chaque activité)

En conclusion de chaque activité, les élèves sont invités à rédiger la réponse à l’encontre de l’objection qui l’a motivée :

1. Cette complexité chez l’oiseau s’explique par le but précis de voler, et ne peut résulter du hasard.

2. On n’observe que des oiseaux parfaitement adaptés à leur environnement, car ils ont été ainsi faits (par une Nature bienveillante, par une intelligence prévoyante …).

3. Tout chez l’oiseau, et notamment ses plumes, est « fait pour voler ».

Une nouvelle fois, sont évalués deux aspects : un nombre suffisant d'éléments scientifiques empruntés aux activités est présenté ; les éléments scientifiques sont utilisés de façon pertinente, en vue de contrer l'objection ciblée. On peut utiliser le système d'évaluation de la compétence suivant :

  • D: Aucun élément scientifique n'est présent.
  • C: Des éléments scientifiques pertinents sont présents mais pas reliés entre eux ou à la problématique et pas en nombre suffisant.
  • B: Des éléments scientifiques pertinents sont présents mais en nombre insuffisant ou ils sont partiellement reliés entre eux et à la problématique.
  • A : Un nombre suffisant d'éléments scientifiques pertinents sont présents et reliés entre eux pour répondre à la problématique.

 

 

Fiches

  1. Fiche "Cartes oeufs"
  2. Fiche "Plumages des oiseaux"

Partenaires du projet

Fondation La main à la pâte