Epistémè - Bactéries & chouettes (Activités)

Bactéries & chouettes

 

Situation de départ

La principale objection faite par votre adversaire concerne le mécanisme de l’évolution. Plutôt que de postuler que l’évolution se fait par création aléatoire de diversité suivie d’une sélection, il postule que les êtres vivants subissent des changements sous la pression de leur environnement pour s’adapter à celui-ci. Dans cette hypothèse le hasard n’intervient pas. L’environnement induit lui-même les modifications qui sont ensuite transmises à la génération suivante. Comme vous le savez, toute hypothèse réalisée par un scientifique mène à des prédictions. On peut ensuite comparer si ces prédictions sont compatibles avec les observations naturelles pour valider ou non l’hypothèse. On veut donc trouver les prédictions que l’on peut faire pour l’hypothèse du chevalier Lamarck, et pour celle de notre cher maître Darwin…

 

Dans un laboratoire, deux scientifiques nommés Luria et Delbruck ont décidé de réaliser une spectaculaire expérience pour enfin trancher entre les hypothèses du chevalier Lamarck et de Monsieur Darwin. Pour cela, ils ont cultivé des bactéries dans plusieurs boîtes en parallèle. Au bout d’un certain temps, ils injectent un virus qui tue toutes les bactéries qui ne sont pas résistantes. Ils comptent ensuite le nombre de bactéries restantes dans chaque boîte. Ils estiment qu’en comparant le taux de survie dans chaque boîte, ils vont arriver à prouver laquelle des deux hypothèses est vraie… Mais comment ?

 

Résumons l’expérience :

  • au départ, considérons qu’il n’y a qu’une seule bactérie dans la boîte. Une bactérie non résistante.
  • à chaque intervalle de temps (disons toutes les demi-heures), chaque bactérie se multiplie et donne deux bactéries.
  • quand le nombre de bactéries atteint une limite (disons 40 en unités arbitraires), ce nombre reste fixe.
  • au bout d’un certain temps d’expérience (disons 3 heures, donc 6 intervalles de temps), on introduit le virus.
  • le virus détruit toutes les bactéries non résistantes.

 

Quelle est la différence entre les deux hypothèses ?

- Lamarck suppose que les modifications se font sous la pression de l’environnement. Cela voudrait dire que c’est la présence du virus qui induit l’apparition de la résistance. Donc, en présence du virus, toutes les bactéries auraient une certaine chance de s’en sortir.

- Darwin suppose que ces modifications apparaissent au hasard. Ensuite, la sélection naturelle trie. Ici, cela voudrait dire que la mutation pourrait apparaître au hasard à chaque multiplication. A la fin, les bactéries chanceuses, qui ont muté ou qui descendent d’une bactérie ayant eu la mutation survivent. Les autres meurent.

 

Avez-vous déjà une idée de la façon dont on pourrait déterminer quelle hypothèse est juste ? Vous êtes encore dans le brouillard, et vous préférez les oiseaux aux bactéries quasi invisibles ! Vous allez donc simplement changer d’exemple pour vous aider à mieux comprendre l’expérience de vos collègues.

 

Un jeu chouette

Voici deux variants d’une même espèce de chouette :

Au départ, la population est constituée d'un seul couple de chouettes foncées. Quand elle se reproduit, une femelle donne naissance à un nombre variable d’enfants (disons le résultat d’un dé à 6 faces). Normalement, ces enfants de la même couleur que la mère (sauf dans l’hypothèse d’une mutation). Précisons qu’on considère qu’on ne représente que les femelles, pour simplifier (donc une carte = une chouette femelle, ou un couple si vous préférez).

On va considérer ici que la population maximale est atteinte pour 16 individus environ. Quand vous dépassez ce nombre, vous finissez le tour de jeu et ensuite le prédateur arrive.

Les chouettes ont rarement des prédateurs. On va considérer ici que c’est l’Homme. Il va chasser toutes les chouettes foncées sur le sol blanc.

 

  • Consigne : Proposez des règles précises du jeu en tenant compte des indications données dans le paragraphe précédent et en les modifiant pour prendre en considération successivement l’une ou l’autre des hypothèses.

 

Après une phase de réflexion par groupes et une mise en commun de la classe, on peut distribuer les règles suivantes pour tous jouer de la même façon :

  • Au départ, un couple de chouettes vit sur un sol blanc. Elles sont foncées et se portent très bien en l’absence de prédateurs.
  • A chaque tour : 1 chouette femelle donne 1D6 chouettes femelles de la même couleur (dans l’activité, seules les femelles sont représentées) et arrête de se reproduire (on la retire du plateau). Pour chaque portée, ajouter le nombre de cartes correspondantes sur le plateau.
  • Quand le nombre de chouettes dépasse 16, le jeu se termine à la fin du tour.
  • Après le dernier tour, l’Homme exerce une prédation et tue toutes les chouettes qui sont visibles sur le sol clair.
  • On compte la proportion de chouettes qui ont survécu.

 

  • Consigne : Proposez une règle supplémentaire pour prendre en compte l'hypothèse de Darwin puis une autre règle supplémentaire pour prendre en compte l'hypothèse de Lamarck.

Modification en suivant l’hypothèse de Darwin : On constitue les paquets de cartes des descendants de chouettes foncées en intercalant quelques chouettes blanches. Pour 5 cartes de chouettes foncées, on rajoutera une chouette blanche. Mélanger les cartes et retourner-les faces cachées pour constituer la pile d’œufs à naître.

Modification en suivant l’hypothèse de Lamarck : On constitue les paquets de cartes des descendants de chouettes foncées uniquement à partir de chouettes foncées. Il n’y a pas de mutations tant que l’Homme n’est pas arrivé. Quand l’Homme arrive, les chouettes essaient de s’adapter à leur environnement. Pour chaque chouette présente, lancer 1D6. Sur un résultat de 1, elle parvient à muter et devient blanche donc peu visible.

 

  • Consignes : Jouez plusieurs fois au jeu et notez les résultats. Comparez aux résultats obtenus par les autres élèves de la classe. Quelle différence majeure observe-t-on lorsqu'on considère les résultats sous l'hypothèse de Darwin par rapport à ceux sous l'hypothèse de Lamarck ? Comment doit-on s'y prendre maintenant pour valider l'une ou l'autre de ces hypothèses ?

 

Voici les données obtenues par Luria et Delbruck sur les bactéries (analyse sur 108 bactéries par cultures de 1 mL).

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

 

  • Consigne finale : Formulez une réponse à l’objection soulevée en début de séance en appuyant votre argumentaire sur les observations expérimentales et votre simulation.

Partenaires du projet

Fondation La main à la pâte