Epistémè - Bactéries & chouettes

Bactéries et chouettes [Argumentaire 3]

 

Comme dans les activités précédentes, les élèves repèrent dans l'argumentaire 3 les assertions erronées et cherchent un moyen de les vérifier puis de répondre à l'affirmation.

Objectifs 

Les élèves utilisent des expériences historiques et de pensée pour bien différencier la vision lamarckienne de la vision darwinienne de l’évolution.

Ce que font les élèves 

Les élèves analysent une expérience historique et, à l’aide d’une analogie, explicitent les différences entre une vision lamarckienne et une vision darwinienne de la théorie de l’évolution.

Ce que fait l’enseignant 

L’enseignant présente de la façon la plus explicite possible l’expérience de Luria et Delbrück. Il présente ensuite une analogie et guide les élèves pour s’approprier la compréhension de l’expérience et les différences entre les deux visions, puis finalement la validation de la vision darwinienne aux dépens de la vision lamarckienne.

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 

Documents proposés

Durée 

2 séances (modalité classe inversée possible)

 

Dans cette séquence, les élèves s’intéressent à un type d’argument finaliste différent de celui rencontré dans la séquence précédente. L’adversaire ne prône pas ici un finalisme d’intentionnalité, mais un finalisme du besoin. De façon grossière, cela correspond au transformisme développé par Lamarck. Dans cette vision, la mutation est négligée. L’organisme se modifie en retour à une pression du milieu. En cherchant à satisfaire ses besoins, l’organisme utilise certains organes qui se retrouvent développés et façonnés, alors que d’autres, inutiles, régressent. Ce sont donc les individus (et non les populations) qui varient et cette variation est consécutive à la pression de sélection. L’objection est ainsi formulée : les êtres vivants subissent des changements sous la pression de leur environnement pour s’adapter à celui-ci.

 

Une expérience historique fondamentale a pu permettre de montrer que les mutations aléatoires précédaient l’action de la sélection naturelle et qu’il fallait rejeter l’hypothèse lamarckienne d’une modification des individus sous la contrainte de leur environnement. Cette expérience est celle de Luria et Delbrück (voir éclairages). Même s’il est ambitieux de présenter cette expérience à des élèves de cycle 4, sa présentation sous la forme d’une simulation est de nature à faciliter sa compréhension et de travailler sur le caractère prédictif des hypothèses et la méthodologie de réfutation d’une hypothèse. Nous n’attendons pas de cette activité qu’elle soit l’élément clé qui assoie la compréhension définitive de la théorie darwinienne. Nous pensons qu’elle est un bon moyen d’exposer clairement le contenu de chaque théorie, de mettre en œuvre de façon explicite le mécanisme présent derrière chacune d’elles, et de montrer que les prédictions qu’elles font ne sont pas identiques. Elle permet également d’aborder des arguments de nature expérimentale, ce qui est rarement fait dans le cadre de l'exposition de cette théorie, et mène à des objections fausses sur le caractère prétendûment invisible de l’évolution.

 

Phase 1 : Exposition de l’expérience de Luria et Delbrück (30’)

Dans un premier temps, l’expérience de Luria et Delbrück est exposée de façon très explicite. L’idée est que les élèves comprennent entièrement le cadre de l’expérience et les deux hypothèses alternatives :

  • soit les modifications des organismes dépendent de l’environnement, auquel cas elles n’arrivent que sous une contrainte environnementale précise ;
  • soit les modifications des organismes apparaissent aléatoirement et sont ensuite triées.

Pour rappel, voici une illustration des résultats attendus pour chacune des deux hypothèses dans le cadre de l'expérience de Luria et Delbrück. Dans ce schéma, les cercles représentent des cultures de bactéries. En rouge apparaissent les cultures mutantes (mutations induites à gauche, spontanées à droite). En jaune est représentée la mise en contact avec la pression de sélection (le phage). 4 scénarios sont représentés pour chaque hypothèse.

L’objectif est également donné de façon très explicite : une seule de ces deux hypothèses est vraie, il faut montrer que c'est la seconde. Pour cela, un scientifique établit des prédictions à partir de chaque hypothèse. Ensuite, il réalise l’expérience et compare ses prédictions aux résultats. Il peut ainsi réfuter une des hypothèses, et ici conserver l’autre (car elles sont mutuellement exclusives).

 

Un choix pédagogique est d’immédiatement donner les résultats et de décider avec les élèves de chercher à comprendre pourquoi ces résultats permettent de valider la théorie de la sélection naturelle exposée lors de la simulation initiale (à l'aide de la phase 2).

Un autre choix, plus ambitieux, est de proposer aux élèves de déterminer les prédictions de chacune des hypothèses à l'aide de la phase 2.

Quel que soit le choix de l’enseignant, on prend la décision d’avoir recours à une simulation pour s’aider à comprendre (ou réellement faire) les prédictions formulées par Luria et Delbrück quand ils ont conçu leur expérience.

Deux méthodes de simulation sont envisageables. On développera ici celle reposant sur un jeu de cartes mais on trouvera ici le script permettant de modéliser l’expérience à l’aide du logiciel Scratch (que l'on proposera bientôt).

 

Phase 2 : Jeu de cartes chouettes (45’)

Le jeu de cartes permet d’utiliser une analogie plus proche de l’élève. Comme dans les activités précédentes, on va demander aux élèves de simuler les deux hypothèses. Dans un premier temps, les élèves doivent élaborer les règles du jeu pour coller au contexte expérimental de Luria et Delbrück. Les consignes qui leur sont données sont :

  • On étudie une population de chouettes potentiellement consituées de deux variants : un foncé et un clair.

  • Au départ, la population est constituée d'un seul couple de deux chouettes foncées. Une carte représente un couple (ou l'individu femelle du couple, et on considère que les deux individus sont identiques, ou que seule la femelle compte dans la transmission de la couleur du plumage).
  • Chaque individu ne se reproduit qu’une fois puis disparait.
  • Lors d’une reproduction, une femelle donne naissance à un nombre variable d’enfants (disons le résultat d’un dé à 6 faces).
  • Normalement, ces enfants sont de la même couleur que la mère (sauf dans l’hypothèse d’une mutation aléatoire).
  • La population maximale est atteinte pour 16 individus environ. Quand ce nombre est dépassé, c’est le dernier tour de jeu.
  • Au dernier tour, un prédateur arrive (l’Homme ou une espèce qu’il a introduite). Ce prédateur repère et élimine toutes les chouettes foncées sur le sol blanc.

 

On distribue ensuite aux élèves un dé et deux paquets de cartes (voir fiche cartes chouettes en bas). Ces cartes représentent un œuf au recto et une chouette claire ou foncée au verso.

On peut ensuite laisser les élèves rechercher les règles ou directement leur donner.

Les règles peuvent être formulées ainsi :

  • Au départ, on place sur le plateau une carte, représentant une chouette femelle (ou un couple).
  • On lance un dé : il représente le nombre d’enfants de cette chouette. On rajoute donc un nombre de cartes œufs, indiqué par le dé, et on retire la carte initiale.
  • Pour représenter le fait qu’une chouette donne naissance à des petits de la même couleur, on fabrique deux paquets séparés : un paquet de chouettes foncées, un paquet de chouettes claires.
  • On continue jusqu’au tour où le nombre d’individus dépasse 16.
  • A la fin de ce tour, le prédateur arrive et élimine les chouettes foncées.
  • On compte la proportion de chouettes sauvées (claires).

 

Dans tous les cas, il faut ici laisser les élèves chercher comment rajouter une règle supplémentaire, qui correspond à chaque hypothèse.

Voici les règles supplémentaires dans chaque hypothèse :

  • Dans le cadre de l’hypothèse darwinienne, les mutations sont aléatoires. Pour représenter cela, dans le paquet de chouettes foncées, on glissera 3 chouettes claires et inversement. Puis on mélangera et on tirera les cartes faces cachées. Cela représente le caractère aléatoire de la mutation.
  • Dans le cadre de l’hypothèse lamarckienne, les mutations sont dirigées par l’environnement. Pour représenter cela, on tirera un dé à la fin du dernier tour mais avant l’action du prédateur. Sur un résultat de 1, chaque chouette mute et devient adaptée à son environnement, c’est-à-dire blanche.

 

A la fin de l’activité, les élèves construisent ensemble un tableau qui résume l’ensemble des résultats. Ils doivent arriver, avec l’aide du professeur, aux conclusions suivantes :

  • Dans l’hypothèse darwinienne, les proportions de survie sont très variables. Cela est dû au fait qu’une mutation peut intervenir tôt au tard dans le « scénario ».
  • Dans l’hypothèse lamarckienne, les proportions de survie sont peu variables car la mutation ne dépend que de l’arrivée du prédateur et c’est la même à chaque fois.

 

 

Phase 3 : Retour à l’expérience de Luria et Delbrück (30’)

Les résultats de l’expérience de Luria et Delbrück sont ensuite révélés (à moins qu’ils n’aient été donnés d’emblée). En repassant à l’expérience de Luria et Delbrück, on peut bien expliciter l’analogie : les bactéries correspondent aux chouettes ; la pression de sélection, en l’occurrence le virus, correspond au prédateur ; le caractère de résistance au virus correspond à la coloration du plumage. Les résultats sont donnés pour une analyse sur 108 bactéries par cultures de 1 mL inoculées par 103 bactéries.

Numéro de la culture

Nombre de colonies survivantes

1

1

2

4

3

0

4

0

5

12

6

0

7

0

8

9

9

120

10

0

Ces résultats attestent de proportions de survie variables, comme attendu dans l’hypothèse darwinienne.

 

 

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

En conclusion de l’activité, les élèves sont invités à rédiger la réponse à l’encontre de l’objection qui l’a motivée : les êtres vivants subissent des changements sous la pression de leur environnement pour s’adapter à celui-ci. Ils doivent réutiliser les conclusions de leur expérience de pensée et des résultats de l'expérience de Luria et Delbrück pour montrer que les données valident l'hypothèse alternative qui est celle d'une évolution par la sélection des individus qui possèdent les mutations les plus avantageuses (apparues au hasard) dans leur environnement. Comme précédemment, 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.

 

 

Fiche

 

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Partenaires du projet

Fondation La main à la pâte