ORIGINE DE LA DIVERSITÉ DES ÊTRES HUMAINS

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1 CHAPITRE 4 ORIGINE DE LA DIVERSITÉ DES ÊTRES HUMAINS Ce chapitre clôt la première partie du programme «Diversité et unité des êtres humains». Il est l aboutissement de la démarche entreprise depuis la classe de sixième pour construire et faire acquérir les connaissances permettant d atteindre un premier niveau d explication de l unicité de l espèce, de la diversité et de l unicité des individus qui la composent. Les documents présentés en ouverture de ce chapitre doivent favoriser le dialogue avec les élèves pour rappeler les acquis du collège et reformuler leurs représentations quant à l unicité et la diversité des individus. Chapitre 4 Origine de la diversité des êtres humains 43

2 QUE DOIVENT SAVOIR LES ÉLÈVES AVANT D ABORDER CE CHAPITRE? L origine de la diversité des individus sera expliquée par la double intervention du hasard lors de la formation des cellules reproductrices et lors de la fécondation. Au préalable, les élèves doivent bien maîtriser les connaissances concernant : la transmission de la vie chez l Homme (programme de 4 e ) ; les supports de l hérédité, et les notions de gène et d allèles (programme de 3 e ). LE PROGRAMME OFFICIEL (Extrait du B.O. n 6 (vol 2) du 19 avril 2007, hors-série) Le programme présente les références au socle commun de connaissances et de compétences en caractères droits. Le reste du programme est en italique. Connaissances Chaque cellule reproductrice contient 23 chromosomes. La fécondation rétablit le nombre de chromosomes de l espèce. Chaque individu issu de la reproduction sexuée possède un programme génétique qui contribue à le rendre unique. Au cours de sa formation, chaque cellule reproductrice reçoit un chromosome de chaque paire. Lors de la fécondation, spermatozoïde et ovule participent à la transmission de l information génétique. Pour chaque paire de chromosomes, un chromosome vient du père, un de la mère. Lors de la formation des cellules reproductrices les chromosomes d une paire se répartissent au hasard. Les cellules reproductrices produites par un individu sont génétiquement différentes. Pour chaque allèle de la cellule-œuf, l un vient du père, l autre de la mère. La reproduction crée au hasard un nouveau programme génétique. Capacités déclinées dans une situation d apprentissage Exploiter des photographies de caryotypes de cellules reproductrices. Observer, questionner, formuler une hypothèse sur le mécanisme permettant le maintien du nombre de chromosomes au cours des générations. Exprimer les résultats d une recherche : réaliser un schéma traduisant le maintien du nombre de chromosomes lors de la reproduction sexuée. Exemples d activités Étude de documents sur le mécanisme permettant le maintien du nombre de chromosomes de génération en génération. Comparaison de caryotypes d une cellule reproductrice et d une cellule de l organisme. Manipulation de maquettes afin de rendre compte du devenir des chromosomes lors de la formation des cellules reproductrices et de la cellule-œuf. Explication de la formation d une cellule-œuf mâle ou femelle. Un «complément» au programme, publié le 30 mai 2008, est consultable sur le site ÉduSCOL à l adresse : LES THÈMES DE CONVERGENCE Les connaissances acquises dans ce chapitre peuvent être intégrées au thème de convergence 5 «santé» : elles permettent d avoir des bases pour une réflexion éthique en rapport avec les questions touchant la reproduction humaine. De même, les connaissances acquises dans cette partie du programme sont, dans leur ensemble, indispensables pour approfondir le point «maîtrise de la reproduction et habitude de vie» de la partie «responsabilité humaine en matière de santé» (voir p. 139). 44

3 LA PROGRESSION DANS LE CHAPITRE Les activités permettent d expliquer progressivement la diversité génétique par le double hasard de l hérédité. Introduction : révéler les représentations des élèves (15 minutes) L analyse des documents présentés est le prétexte pour faire le point, le bilan des acquis des élèves et peutêtre de faire une mise à niveau des connaissances. Avec la référence à «ce que je sais», cette double page peut être donnée à analyser «à la maison» avant la première activité de ce chapitre. Les élèves auront à réaliser ainsi un travail personnel de «révision» et de mise en relation des connaissances. activité 1 : raisonner et construire des connaissances (50 minutes) La connaissance construite est : «Chaque individu issu de la reproduction sexuée possède un programme génétique qui contribue à le rendre unique». Les documents proposés montrent la diversité des caractères des enfants avec une particularité, l identité des caractères des jumelles. Les liens entre allèles et caractères permettent d expliquer les différences constatées entre les enfants mais aussi d entrevoir le lien génétique entre les parents et les enfants. Activité 2 : raisonner et construire des connaissances (50 minutes) L activité permet de construire les connaissances suivantes : «Chaque cellule de l organisme contient 23 chromosomes» ; «Au cours de sa formation, chaque cellule reproductrice reçoit un chromosome de chaque paire». Les auteurs ont choisi de faire travailler les élèves sur deux paires de chromosomes et de faire apparaître sur les chromosomes les allèles des groupes sanguins A et B, en référence à l activité 1. Le document c permet de visualiser la présence d un chromosome sexuel dans chaque spermatozoïde et d établir ainsi un lien avec le schéma du document b. Activité 3 : raisonner et construire des connaissances (50 minutes) Les connaissances construites sont les suivantes : «La fécondation rétablit le nombre de chromosomes de l espèce» ; «Au cours de la fécondation, spermatozoïde et ovule participent à la transmission de l information génétique» et plus particulièrement à la formation d un nouveau programme génétique en mettant en relief le double hasard de l hérédité. L ATELIER B2i Cette activité permet à l élève de construire ou de renforcer : une compétence informatique : «créer, produire, traiter, exploiter des données» (C.3) ; une compétence liée au programme de SVT : «mettre en relation la nature des chromosomes et le sexe d un individu». L élève est évalué sur sa compétence à traiter un fichier image à l aide d un logiciel dédié afin de réaliser un document illustré, cohérent et explicite sur le déterminisme du sexe. Le site : propose les ressources pour réaliser cette production que l élève pourra évaluer en se référant au document de positionnement «élève» du BO du 16 novembre Chapitre 4 Origine de la diversité des êtres humains 45

4 activité 1 Reproduction sexuée et diversité génétique Objectifs visés Cette activité a pour objectif de montrer que la reproduction sexuée produit, au sein même d une famille, une diversité d enfants caractérisés par des programmes génétiques uniques (exceptés les vrais jumeaux) correspondant à des combinaisons alléliques variées. Connaissances construites Chaque individu issu de la reproduction sexuée possède un programme génétique qui contribue à le rendre unique. Dans le cadre du socle commun des connaissances et des compétences, cette activité concourt à la maîtrise des connaissances sur l Homme, notamment la notion d unicité et de diversité des individus qui composent l espèce humaine (génétique, reproduction). Les capacités et les compétences déclinées au cours de cette activité Relever les différences portant sur des caractères physiques et physiologiques entre frères et sœurs (documents a et b). Mettre ces différences en relation avec la combinaison allélique caractérisant le programme génétique des enfants d une famille (documents b et c). Dans le cadre du socle commun des connaissances et des compétences, cette activité contribue à mettre en œuvre la capacité de pratiquer une démarche scientifique, notamment savoir observer, questionner des documents, puis d argumenter, en les mettant en relation, afin d atteindre l objectif visé. 46

5 Réponses aux questions posées 1 : «Avoir les mêmes parents ne signifie pas être identiques entre frères et sœurs». En effet, la comparaison des caractères physiques et physiologiques entre frères et sœurs révèlent que, saufs pour les vrais jumeaux, chaque enfant est génétiquement unique. 2 : D après les données du document c, Jean possède les allèles A, O sur sa paire de chromosomes 9, il est donc de groupe sanguin A, les allèles Rh+, Rh- sur sa paire de chromosomes 1 il est donc rhésus positif, et les allèles d et Hem+ sur sa paire de chromosomes sexuels, il est donc daltonien et non hémophile : ces caractères correspondent bien aux informations du document b. Il en va de même pour ses sœurs Lola, Cindy, Chloé et ses parents : leur combinaison d allèles correspondent bien aux données du document b. 3 : Les enfants d un même couple possèdent chacun une combinaison d allèle définissant un programme génétique qui le rend unique. Matériel et mise en œuvre Cette activité peut être mise en œuvre après un rappel de notions acquises préalablement : en quatrième : les modalités de la transmission de la vie chez l Homme : une reproduction (procréation) sexuée impliquant une fécondation qui aboutit à la formation d une cellule-œuf à partir de laquelle l embryon se construit par divisions successives ; dans les chapitres 1 et 2 du manuel : un individu présente des caractères hérités de ses parents, les gènes gouvernant ces caractères étant portés par les chromosomes. Dans la population humaine, un gène possède plusieurs versions nommées allèles de ce gène. Dans un premiers temps, il s agit d observer le document a et de relever dans le document b les différences existant entre les enfants d un même couple afin de démontrer la notion d unicité, exception faite des vrais jumeaux, et de diversité des enfants de ce couple et qui plus est, en observant la classe, des individus qui composent l espèce humaine (question 1). Dans un second temps, la mise en relation des documents b et c, montre la correspondance entre les combinaisons d allèles de chaque enfant et leurs caractères propres (question 2). Le document c fournit ainsi l explication de nature génétique «Un individu, une combinaison d allèles» à l unicité et à la diversité des enfants d un même couple (question 3). Les activités 2 et 3 vont permettre aux élèves de comprendre comment se réalise, au hasard, une combinaison d allèles, c est-à-dire un programme génétique toujours original car résultant d un brassage fortuit de l information génétique parentale lors de la formation des cellules reproductrices et de la fécondation. Ressources (bibliomédiagraphie) Des ouvrages généraux pour le professeur J. Tavlitski, 12 clés pour la biologie, Belin, 1985 F. Jacob, Le jeu des possibles, Hachette, Biblio essai n 4045, 1986 A. Langaney, Le sexe et l innovation, Seuil, 1987 A. Langaney, Tous parents, tous différents, Raymond Chabaud, 1992 Des sites internet Le site de l université François Rabelais de Tours dédié à la génétique avec de nombreux schémas, vidéos, animations, exercices et explications : Des logiciels A. Videaud, J.-C. Proust, J.-N. Cloarec, J.-J. Auclair, Logiciel Génétique II : Le brassage génétique. Méiose et fécondation, Jeulin P. Bringer, Y. Levigne, Logiciel Génétique : unité et diversité des êtres humains, Jeulin Des vidéogrammes J.-N. Cloarec, J.-C. Proust, A. Videaud, De la méiose à la fécondation, Jeulin Les documents du manuel sont à projeter à partir du CD-Rom. Chapitre 4 Origine de la diversité des êtres humains 47

6 activité 2 L information génétique des cellules reproductrices Objectifs visés Cette activité constitue un premier élément d explication à la réalisation, toujours originale, de nouveaux programmes génétiques pour un même couple : il s agit de décrire les modalités de la formation des cellules reproductrices, cellules à 23 chromosomes qui reçoivent, au hasard, un chromosome de chaque paire afin d expliquer comment un individu en produit toujours de génétiquement différentes. Connaissances construites Chaque cellule reproductrice contient 23 chromosomes. Au cours de sa formation, chaque cellule reproductrice reçoit un chromosome de chaque paire. Lors de la formation des cellules reproductrices, les chromosomes d une paire se répartissent au hasard. Les cellules reproductrices produites par un individu sont génétiquement différentes. Dans le cadre du socle commun des connaissances et des compétences, cette activité concourt à la maîtrise des connaissances sur l Homme notamment la notion d unicité et de diversité des individus qui composent l espèce humaine (génétique, reproduction). Les capacités et les compétences déclinées au cours de cette activité Observer l ensemble des chromosomes d un ovule ou d un spermatozoïde afin de décrire la particularité des cellules reproductrices (document a). Mettre en relation une photographie et un schéma explicatif afin de comprendre comment se forment les cellules reproductrices et quelle est leur information génétique (documents b et c). Dans le cadre du socle commun des connaissances et des compétences, cette activité contribue à mettre en œuvre la capacité de pratiquer une démarche scientifique, notamment savoir observer, questionner des documents, puis d argumenter, en les mettant en relation, afin d atteindre l objectif visé. 48

7 Réponses aux questions posées 1 : Les cellules reproductrices humaines possèdent 23 chromosomes, un chromosome de chaque paire. 2 : Les spermatozoïdes porteurs du chromosome X produisent une fluorescence rouge, ceux qui portent un chromosome Y, une fluorescence verte. Aucun spermatozoïde ne produit les deux fluorescences en même temps car, comme le montre le document b, les spermatozoïdes à 23 chromosomes résultent de deux divisions successives particulières qui aboutissent à la séparation des chromosomes de chaque paire. Les chromosomes qui se répartissent au hasard produisent des cellules reproductrices génétiquement différentes. 3 : Les cellules reproductrices se forment à partir de cellules d ovaire ou de testicule possédant 46 chromosomes grâce à deux divisions successives. Leur information génétique est portée par 23 chromosomes : elles reçoivent, en effet, au cours de leur formation, un chromosome de chaque paire, les chromosomes d une paire se répartissant au hasard, les cellules reproductrices produites par un individu sont génétiquement différentes. Matériel et mise en œuvre L observation des caryotypes de spermatozoïde et d ovule (document a), contextualisée par les schémas d appareils reproducteurs et les photographies de gamètes, permet de rappeler que les cellules reproductrices ne possèdent que 23 chromosomes, notion abordée dans l activité 1 du chapitre 3, pour montrer que seules les cellules reproductrices ne possèdent pas la même information génétique que les autres cellules de l organisme. Dans le cadre d un cours dialogué, on pourra amener les élèves à constater, plus précisément, que les 23 chromosomes correspondent à un représentant de chaque paire, car chacun des 23 emplacements, marqué d un chiffre ou d une lettre (X ou Y) est occupé par un chromosome différent des 22 autres (question 1). L étude du document c permet de montrer que les cellules reproductrices sont, entre elles, génétiquement différentes. Le document b explique comment se crée au hasard la diversité génétique des cellules reproductrices (question 2) : on ne considère ici que deux paires de chromosomes par commodité ; les élèves pourront envisager la diversité réelle pour 23 paires (voir le document c de l activité 3). Afin de répondre au problème posé (question 3) : «Expliquez comment se forment les cellules reproductrices et quelle est leur information génétique», les élèves pourront, par écrit, dresser le bilan de leurs découvertes. Ressources (bibliomédiagraphie) Voir page 47 Les documents du manuel sont à projeter à partir du CD-Rom. Chapitre 4 Origine de la diversité des êtres humains 49

8 activité 3 Fécondation et nouveau programme génétique Objectifs visés Cette activité constitue le second élément d explication à la réalisation, toujours originale, de nouveaux programmes génétiques pour un même couple : il s agit de décrire comment la fécondation crée un nouveau programme génétique en combinant un chromosome de chaque paire des parents et donc les allèles dont il est porteur dans une cellule-œuf. Les cellules reproductrices produites par un individu étant génétiquement différentes et leur rencontre se faisant au hasard lors de la fécondation, il est impossible pour un couple d avoir deux enfants génétiquement identiques. Connaissances construites La fécondation rétablit le nombre de chromosomes de l espèce. Lors de la fécondation, spermatozoïde et ovule participent à la transmission de l information génétique. Pour chaque paire de chromosomes de la cellule-œuf, un chromosome vient de la mère, l autre du père. Pour chaque allèle de la cellule-œuf, l un vient de la mère, l autre du père. La reproduction crée au hasard un nouveau programme génétique. Dans le cadre du socle commun des connaissances et des compétences, cette activité concourt à la maîtrise des connaissances sur l Homme notamment la notion d unicité et de diversité des individus qui composent l espèce humaine (génétique, reproduction). Les capacités et les compétences déclinées au cours de cette activité Mettre en relation des documents afin de montrer que la fécondation rétablit le nombre de chromosomes de l espèce, qu ainsi ovule et spermatozoïde participent à la transmission de l information génétique et que pour chaque paire formée, un chromosome vient de la mère et l autre du père (document a). Exploiter les données d un tableau des unions possibles des cellules reproductrices d un couple afin d expliquer comment se crée un nouveau programme génétique à partir de la formation de couples d allèles dans lesquels l un vient de la mère, l autre du père (document b). 50

9 Relever des données dans un texte permettant de conclure à la double intervention du hasard lors de la création d un nouveau programme génétique (document c). Dans le cadre du socle commun des connaissances et des compétences, cette activité contribue à mettre en œuvre la capacité de pratiquer une démarche scientifique, notamment savoir observer, questionner des documents, puis d argumenter, en les mettant en relation, afin d atteindre les objectifs visés. Réponses aux questions posées 1 : La fécondation rétablit le nombre de chromosomes de l espèce grâce à la fusion de l ovule et du spermatozoïde, chaque cellule reproductrice apportant 23 chromosomes, un de chaque paire. 2 : «La reproduction sexuée crée un nouveau programme génétique en faisant intervenir le hasard à deux reprises.» En effet, «au moment de la formation des cellules reproductrices, les chromosomes des différentes paires se répartissent au hasard» et «au moment de la fécondation, le hasard va intervenir à nouveau lors de la rencontre d un ovule (parmi 8,3 millions possibles) et d un spermatozoïde (parmi 8,3 millions possibles)». 3 : La fécondation crée un nouveau programme génétique en formant des paires de chromosomes combinant, pour chaque couple d allèles, un allèle de la mère et un allèle du père. Matériel et mise en œuvre L observation des caryotypes d ovule, de spermatozoïde et de la cellule-œuf résultant de leur fusion (document a) permet de construire les connaissances suivantes (question 1) : la fécondation rétablit le nombre de chromosomes de l espèce ; lors de la fécondation, spermatozoïde et ovule participent à la transmission de l information génétique ; pour chaque paire de chromosomes de la cellule-œuf, un chromosome vient de la mère, l autre du père. Ces caryotypes sont contextualisés par des photographies qui renvoient au couple, Sylvie et Antoine, et à l un de ses enfants, Jean, de l activité 1. Ce choix illustratif a été réalisé dans la mesure où ce document entre en compte dans l explication de l aptitude d un couple à créer des programmes génétiques toujours nouveaux : Jean est original et unique par rapport à ses sœurs. Le document b, un tableau d union des gamètes, permet d envisager la diversité génétique possible que peut réaliser ce même couple, ne serait-ce qu avec les deux paires de chromosomes présentées en combinant pour chaque couple d allèle, un allèle de la mère et un allèle du père. Le texte du document c, enfin, rend compte de la double intervention du hasard dans la création d un programme génétique : à sa lecture, les élèves prennent conscience qu en raison de cette double intervention du hasard agissant sur 23 paires de chromosomes, il est impossible pour un couple d avoir deux enfants génétiquement identiques (hors vrais jumeaux) En réalité, c est possible mais avec une probabilité de 1 sur 70 mille milliards (questions 2 et 3). Ressources (bibliomédiagraphie) Voir page 47 Les documents du manuel sont à projeter à partir du CD-Rom. Chapitre 4 Origine de la diversité des êtres humains 51

10 exercices je vérifie mes connaissances 1 QCM 1 a ; 2 b ; 3 a et c ; 4 a et b. 2 Vocabulaire et rédaction a Le programme génétique d un individu correspond à l ensemble de ses allèles, il est unique et est créé au hasard par la reproduction sexuée. b La fécondation assure la transmission de l information génétique des parents aux enfants. c Les cellules reproductrices, formées dans les ovaires de la femme et dans les testicules de l homme, ne comportent que 23 chromosomes. 3 Questions à réponses courtes 1 Chacun d entre nous est unique grâce à la combinaison des allèles qui constitue son programme génétique original. j applique mes connaissances exercice guidé 5 Diversité des groupes sanguins dans une famille 1 David Léa 2 grands-parents cellules reproductrices des grandsparents parents 0 0 A B A A O O O B A O O B A O O B A B 2 Une cellule reproductrice humaine comporte 23 chromosomes dans son noyau. 3 Pour chaque paire de chromosomes de la celluleœuf, un chromosome vient de la mère (ovule), l autre du père (spermatozoïde). 4 La création d un nouveau programme génétique fait intervenir le hasard lors de la formation des cellules reproductrices (les chromosomes de chaque paire se répartissent au hasard dans les cellules reproductrices) et lors de la fécondation (les cellules reproductrices se rencontrent au hasard). 4 Un schéma à légender Légendes : 1 ovule ; 2 spermatozoïde ; 3 cellule-œuf. Ovules et spermatozoïdes humains comportent 23 chromosomes, une cellule-œuf humaine La polydactylie 1 Le père, Jacques, d après l arbre généalogique n est pas atteint de polydactylie : son couple d allèles pour ce caractère est donc pp car les individus porteurs d un seul ou de deux allèle défectueux P sont atteints. 2 Pour Catherine et Louis-Marie qui sont atteints, le couple d allèles est Pp, P provenant de leur mère qui est atteinte et p de leur père qui ne l est pas. Pour Roland qui n est pas atteint, son couple d allèle est pp, pour les mêmes raisons que pour son père : un allèle p provient de son père et l autre allèle p, nécessairement de sa mère. 3 La mère, Marie est atteinte de polydactylie mais avec Jacques elle a engendré un fils, Roland qui ne l est pas : elle a donc transmis un allèle normal p à ce fils, son couple d allèles est par conséquent Pp. cellules reproductrices des parents O O A B O O A B David Léa 3 Léa a hérité son allèle A de sa grand-mère maternelle Paule et son allèle B de son grand-père paternel André. 52

11 7 Le daltonisme 1 et 2 mère N d père d 10 Estimer le risque de transmettre la mucoviscidose 1, 2 et 3 Karim Sakhina Naima Ahmed d d d N d N chromosome X emplacement du gène responsable du daltonisme chromosome Y individu atteint de daltonisme 3 Naima a hérité son allèle d de son père et son allèle N de sa mère, car son père n a pu lui transmettre que son chromosome X. Karim a hérité son allèle d de sa mère, car il a nécessairement reçu son chromosome Y de son père. 8 Les chromosomes d un spermatozoïde 1 Le spermatozoïde apporte 23 chromosomes dans la cellule-œuf. 2 La fécondation rétablit le nombre de chromosomes de l espèce en réunissant dans la cellule-œuf les chromosomes de chaque paire provenant de l ovule et du spermatozoïde. 3 L enfant issu de la fécondation d un ovule par ce spermatozoïde porteur d un chromosome X sera une fille car ce chromosome formera avec celui de l ovule la paire XX dans la cellule-œuf déterminant le sexe féminin. 9 Des ovules tous génétiquement différents 1 spermatozoïde m M ovule m malade M allèle défectueux : m allèle normal : M Le tableau d union des cellules reproductrices montre qu un enfant sur quatre serait atteint de mucoviscidose, le risque pour ce couple est donc de 25 %. m m m porteur sain 11 Les empreintes génétiques porteur sain sain 1 Le programme génétique d un enfant étant constitué par les allèles provenant de 23 chromosomes de sa mère et de 23 chromosomes de son père, son empreinte génétique correspond pour une moitié à celle de sa mère et pour l autre à celle de son père. Sur le test de paternité présenté, on constate que l empreinte génétique de l enfant a en commun deux «bandes» avec celle de sa mère ; c est aussi le cas avec celle du père présumé : ce test révèle donc le lien filial entre cet homme et l enfant. 2 Le criminel responsable du viol est le suspect A, car son empreinte génétique correspond à celle de l agresseur, réalisée à partir de la preuve du viol. m M M M M E E M M ou E E N N F F N N ou F F M M E M F N E N F M 2 Les ovules sont génétiquement différents car ils comportent des combinaisons différentes de chromosomes porteurs d allèles différents. Chapitre 4 Origine de la diversité des êtres humains 53

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13 CHAPITRE 5 AU COURS DU TEMPS, DES PEUPLEMENTS QUI CHANGENT Ce chapitre ouvre la partie «Évolution des organismes vivants et histoire de la Terre» qui doit établir : la notion d évolution des êtres vivants ; le lien entre classification et évolution des êtres vivants ; la relation entre événements géologiques et évolution de la vie. Les documents présentés en ouverture de ce chapitre sont des indices et des bases pour engager un dialogue avec les élèves et aborder l idée que la vie a changé sur la Terre au cours du temps. Chapitre 5 Au cours du temps, des peuplements qui changent 55

14 QUE DOIVENT SAVOIR LES ÉLÈVES AVANT D ABORDER CE CHAPITRE? En cinquième, l application du principe d actualisme et la comparaison des fossiles avec les êtres vivants actuels ont permis de reconstituer les milieux de vie anciens de ces fossiles et les conditions de dépôt des roches sédimentaires qui les renferment. LE PROGRAMME OFFICIEL (Extrait du B.O. n 6 (vol 2) du 19 avril 2007, hors-série) Le programme présente les références au socle commun de connaissances et de compétences en caractères droits. Le reste du programme est en italique. Connaissances Les roches sédimentaires, archives géologiques, montrent la succession et le renouvellement des groupes et des espèces au cours du temps. Au fil des périodes, progressivement, depuis plus de trois milliards d années, des groupes d organismes vivants sont apparus, se sont développés, ont régressé, et ont pu disparaître. Toutefois l évolution s est faite par des à-coups que sont les grandes crises de la biodiversité : à des extinctions en masse succèdent des «explosions» évolutives, des périodes de diversification rapide. Capacités déclinées dans une situation d apprentissage Rechercher l information utile, l analyser, la trier, afin de déterminer un organisme fossile [compétence 7]. Exploiter des textes, schémas, graphiques, images, vidéogrammes, afin d établir le renouvellement des groupes et des espèces au cours des temps géologiques. Exemples d activités Construction progressive d une frise chronologique. Comparaison des faunes et des flores des mers du Cambrien et du Crétacé, des forêts du Carbonifère et des forêts actuelles. Recherche d informations sur la succession d êtres vivants dans un groupe animal ou végétal, à partir de textes, de graphiques et de tableaux. Identification de fossiles à l aide d une clé de détermination. Un «complément» au programme, publié le 30 mai 2008, est consultable sur le site ÉduSCOL à l adresse : LES THÈMES DE CONVERGENCE Ce chapitre peut être intégré au thème de convergence 3 : «météorologie et climatologie». L évolution des climats a influencé l évolution des peuplements au cours des temps géologiques. Certaines extinctions pourraient avoir eu pour cause la modification durable des climats sur la Terre. 56

15 LA PROGRESSION DANS LE CHAPITRE Les auteurs ont souhaité faire constater aux élèves les changements des formes de vie et le renouvellement des groupes d êtres vivants au cours des temps géologiques. Chaque ensemble de documents est corrélé à un axe du temps, dans les trois activités. Introduction et activité 1 : s informer/découvrir (50 minutes) Les documents de l introduction au chapitre doivent faire intervenir les élèves sur : la disparition de groupes d animaux (dinosaures) ; l âge des premières formes de vie cellulaires ; les différences entre les formes fossiles anciennes et les formes actuelles. C est dans cet esprit de découverte que la première activité a été conçue autour de la comparaison des formes de vie sous-marine, à l ère primaire et à la fin de l ère secondaire. Activité 2 : s informer/découvrir (50 minutes) La démarche de comparaison est reprise, en milieu continental, particulièrement entre les végétaux d une forêt de l ère primaire et ceux d une forêt actuelle. Activité 3 : s informer/découvrir (50 minutes) Il s agit d observer le développement de groupes d animaux marins et leur diversité au cours des temps géologiques. L ATELIER B2i Cette activité permet à l élève de construire ou de renforcer : une compétence informatique : «créer, produire, traiter exploiter des données (C.3)» ; une compétence liée au programme de SVT : «construire une frise géologique de l évolution de la vie». Le site : propose les ressources pour réaliser cette production que l élève pourra évaluer en se référant au document de positionnement «élève» du BO du 16 novembre Chapitre 5 Au cours du temps, des peuplements qui changent 57

16 activité 1 Des changements de la vie sous-marine au cours des temps géologiques Objectifs visés Cette activité a pour objectif de permettre aux élèves de mettre en évidence l existence d un renouvellement des espèces et des groupes d êtres vivants en milieu marin. La comparaison du peuplement du milieu à deux périodes différentes permet d atteindre l objectif. Connaissances construites L étude des fossiles d animaux, trouvés dans les roches sédimentaires, montre des différences entre les espèces qui ont vécu dans la mer au cours des temps géologiques. Ces espèces appartiennent à des groupes qui sont apparus à des moments différents de l histoire de la Terre. Certains de ces groupes ont disparu, d autres existent toujours. Les capacités et les compétences déclinées au cours de cette activité Exploiter des textes, schémas, images afin d établir le renouvellement des groupes et des espèces au cours des temps géologiques (documents a et b). Dans le cadre du socle commun des connaissances et des compétences, cette activité contribue à mettre en œuvre la capacité de pratiquer une démarche d investigation, notamment savoir observer, questionner, ici, des tableaux, des documents photographiques, des schémas, puis d argumenter, en les comparant, afin d atteindre les objectifs visés. Dans le cadre du socle commun des connaissances et des compétences, cette activité contribue à décrire l évolution des espèces. 58

17 Réponses aux questions posées 1 : Aucune des espèces trouvées dans le milieu marin, il y a 520 millions d années n est retrouvée il y a 95 millions d années. De même, aucune des espèces trouvées il y a 95 millions d années n est trouvée il y a 520 millions d années. 2 : Les groupes qui se sont maintenus : annélides, arthropodes, chordés, cnidaires. Les groupes qui sont apparus : céphalopodes ammonoïdés, poissons ostéichtyens, reptiles marins, bivalves, rudistes. Les groupes qui ont disparu : les trilobites, les groupes non connus. 3 : Dans le milieu marin, les espèces se succèdent au cours des temps. Les groupes d organismes vivants sont apparus, d autres ont disparu, certains sont toujours présents. Matériel et mise en œuvre Les documents de cette activité, de natures diverses, peuvent être envisagés après un rappel des acquis de 5 e : la comparaison d un fossile avec des êtres vivants actuels permet de reconstituer son milieu de vie ; les roches sédimentaires contiennent des fossiles. Si besoin, le document a de la troisième activité de ce chapitre pourra servir de support pour remobiliser les acquis. Y sont présentés des fossiles et les affleurements où ils sont trouvés. Les deux documents constituent, chacun, un ensemble de données qu il convient de comparer pour pouvoir mettre en évidence l existence d un renouvellement des espèces et des groupes au cours du temps. Les fossiles trouvés aux deux périodes permettent d axer le travail sur le monde animal. Le document a présente les fossiles dit de Burgess. Le document b présente un ensemble de fossiles du crétacé supérieur. Au niveau de chaque document une ébauche de frise chronologique est donnée. Elle peut être intégrée dans une frise générale comme montré dans le document bilan p. 89. Ressources (bibliomédiagraphie) Des ouvrages généraux pour le professeur S. Jay Gould (Sous la direction de), Le livre de la vie, Seuil, 1993 F. Lethiers, Évolution de la biosphère et événements géologiques, Gordon and Breach Science Publishers, 2001 G. Lecointre (Sous la direction de), Comprendre et enseigner la classification du vivant, Belin, 2004 Des ouvrages généraux pour les élèves (pour le CDI) P. Douglas, Atlas du monde préhistorique, Larousse, 2002 Des sites internet Dossier SagaScience Evolution / CNRS : Les étapes de l histoire de la vie : planete_terre.html Les documents du manuel sont à projeter à partir du CD-Rom. Chapitre 5 Au cours du temps, des peuplements qui changent 59

18 activité 2 Des changements de la vie continentale au cours des temps géologiques Objectifs visés Cette activité a pour objectif de permettre aux élèves de mettre en évidence l existence d un renouvellement des espèces et des groupes d êtres vivants en milieu continental. La comparaison du peuplement du milieu à deux périodes différentes permet d atteindre l objectif. Connaissances construites L étude des fossiles montre que les premiers végétaux continentaux ont été des ptéridophytes. D autres groupes ont peuplé les continents progressivement et constituent les forêts actuelles : gymnospermes et angiospermes. À l intérieur de ces groupes, des espèces se sont succédé au cours du temps. Les capacités et les compétences déclinées au cours de cette activité Exploiter des textes, schémas, images afin d établir le renouvellement des groupes et des espèces au cours des temps géologiques (documents a et b). Dans le cadre du socle commun des connaissances et des compétences, cette activité contribue à mettre en œuvre la capacité de pratiquer une démarche d investigation, notamment savoir observer, questionner, ici, des tableaux, des documents photographiques, des schémas, puis d argumenter, en les comparant, afin d atteindre les objectifs visés. Dans le cadre du socle commun des connaissances et des compétences, cette activité contribue à décrire l évolution des espèces. 60

19 Réponses aux questions posées 1 : Aucune des espèces trouvées dans le milieu continental, il y a 320 millions d années n est retrouvée actuellement. De même, aucune des espèces actuelles n est trouvée il y a 320 millions d années. 2 : Le groupe des ptéridophytes s est maintenu alors que les groupes des gymnospermes et des angiospermes sont apparus entre 320 MA et actuellement. 3 : Dans le milieu continental, les espèces se succèdent au cours des temps. Les ptéridophytes sont le premier groupe à apparaître, ils sont toujours présents. Depuis les gymnospermes et les angiospermes sont apparues. Matériel et mise en œuvre Cette activité portant sur le renouvellement des espèces et des groupes dans le milieu continental est construite sur le même schéma que la première activité : on y compare les espèces et les groupes de deux périodes différentes. Les deux documents constituent, chacun, un ensemble de données qu il convient de comparer pour pouvoir mettre en évidence l existence d un renouvellement des espèces et des groupes au cours du temps. Les fossiles trouvés aux deux périodes permettent d axer le travail sur le monde végétal, bien que chacun des deux documents apporte également des données sommaires sur le monde animal. Le document a présente la flore d une forêt carbonifère. Le document b présente la flore d une forêt tempérée actuelle. On retrouve au niveau de chaque document l ébauche d une frise chronologique qui peut servir à compléter la frise globale qui a pu être commencée dans l activité 1. Ressources (bibliomédiagraphie) Voir page 59 Les documents du manuel sont à projeter à partir du CD-Rom. Chapitre 5 Au cours du temps, des peuplements qui changent 61

20 activité 3 Le renouvellement des groupes d êtres vivants au cours du temps Objectifs visés Cette activité a deux objectifs : expliciter le renouvellement des espèces au sein d un groupe ; expliciter le renouvellement des groupes au cours des crises de la biodiversité. Connaissances construites Au cours du temps, des groupes d organismes vivants sont apparus, se sont développés, ont régressé et pour certains ont pu disparaître. Le renouvellement des espèces s est fait par des à-coups que sont les grandes crises de la biodiversité : à des extinctions en masse succèdent des «explosions» évolutives, des périodes de diversification rapide. Les capacités et les compétences déclinées au cours de cette activité Exploiter des textes, schémas, images, graphiques afin d établir le renouvellement des groupes au cours des temps géologiques (documents a et b). Dans le cadre du socle commun des connaissances et des compétences, cette activité contribue à mettre en œuvre les capacités suivantes : utiliser des graphiques, mobiliser ses connaissances en situation. 62

21 Réponses aux questions posées 1 : Les spiriféridés apparaissent à 460 MA ; ils se développent de 460 MA à 370 MA ; ils régressent de 370 MA à 203 MA ; ils disparaissent à 160 MA. Les rynchonellidés apparaissent à 490 MA ; ils se développent de 490 MA à 390 MA puis régressent de 390 MA à 215 MA ; ils se développent à nouveau de 215 MA à 160 MA puis régressent jusqu à l actuel où ils sont toujours présents. 2 : Les groupes qui disparaissent lors de la crise crétacé-tertiaire sont : les dinosaures, les ptérosaures, les reptiles aquatiques, les ammonoïdés, certains brachiopodes, certains foraminifères. Les groupes qui se développent après la crise sont : les mammifères, les oiseaux. 3 : Au cours du temps, les groupes d êtres vivants apparaissent, se développent, régressent et peuvent disparaître. Lors des crises de la biodiversité, de nombreux groupes disparaissent lors de la phase d extinction. Après la crise, de nouveaux groupes se diversifient. Matériel et mise en œuvre Les documents de cette activité constituent deux blocs. Le premier bloc (documents a et b) constitué de photographies, texte et graphique, permet dans un premier temps de mettre en évidence que les fossiles sont trouvés dans les roches sédimentaires. Ils permettent de décrire le renouvellement des espèces dans un groupe, les foraminifères. Le deuxième bloc (document c) constitué d un ensemble de données : textes, photographies de fossiles, graphiques permet d étudier les modalités du renouvellement des groupes autour de la crise de la biodiversité crétacétertiaire. Chaque bloc de documents présente une ébauche de frise chronologique qui peut être utilisée pour compléter une frise plus générale. Une frise chronologique plus complète peut être réalisée à partir de l exercice B2i p. 97. Ressources (bibliomédiagraphie) Voir page 59 Les documents du manuel sont à projeter à partir du CD-Rom. Chapitre 5 Au cours du temps, des peuplements qui changent 63

22 exercices je vérifie mes connaissances 1 QCM 1 a ; 2 c ; 3 a. 2 Vocabulaire et rédaction a Les roches sédimentaires montrent la succession et le renouvellement des groupes. b Les groupes d êtres vivants apparaissent, se développent, régressent et disparaissent. c Des explosions évolutives succèdent aux extinctions en masse. 3 Questions-réponses 1 Les roches sédimentaires montrent la succession des groupes et des espèces car ils contiennent des fossiles. 2 Les géologues affirment que le renouvellement des espèces s est fait par à-coups car lors des crises de la biodiversité, de nombreuses extinctions ont lieu et sont suivies par des périodes d évolution explosives. 4 Compléter un graphique 250 MA disparition 295 MA 335 MA 408 MA 435 MA 500 MA 540 MA régression diversification apparition 5 Une situation qui pose problème? Le lépidodendron est âgé de 300 MA, il ne peut donc être trouvé que dans la couche B. j applique mes connaissances exercice guidé 6 Le renouvellement des groupes il y a 250 MA 1 Les groupes qui ont disparu : spongiaires, crinoïdes, bryozoaires, arthropodes trilobites. Les groupes qui se sont maintenus : céphalopodes, mollusques, vertébrés. Les groupes qui sont apparus : échinodermes. 2 On constate un grand renouvellement des groupes entre 255 MA et 240 MA. Une crise de la biodiversité serait à l origine de ce renouvellement. 3 On constate, sur le graphique, qu à 250 MA, il existe un fort taux d extinction (50 %) compatible avec l hypothèse formulée Des modifications du peuplement continental il y a 220 MA 1 La comparaison du peuplement aux deux périodes montre que les vertébrés sont des reptiles primitifs à 230 MA. On ne les retrouve plus à 200 MA, les groupes de reptiles primitifs ont disparu, mais on trouve des dinosaures, des ptérosaures, des reptiles actuels, des mammifères : ces groupes sont apparus entre les deux périodes et se sont diversifiés. 2 Les spécialistes affirment l existence d une crise biologique à 220 MA. Les observations précédentes sont en cohérence avec cette affirmation : des groupes ont disparu et d autres sont apparus et se sont diversifiés. Le tout se produit en un temps très court. 3 Aux deux périodes les végétaux sont des ptéridophytes. Les données ne permettent pas de préciser si il y a eu ou non renouvellement des groupes de végétaux.

23 8 Trouver le nom d un fossile L ammonoïdé présente des tours de coquille ne se recouvrant pas totalement, les excroissances sont peu développées. Il s agit donc de Ceratites nodosus. 9 L évolution des insectes 1 On peut situer cette période à 400 MA. 2 Le développement du groupe n est pas immédiat, il ne se produit qu à partir de 360 MA. 3 Trois périodes de développement peuvent être mises en évidence : 360 MA à 290 MA, 250 MA à 140 MA et 90 MA jusqu à la période actuelle. 3 Première période : 290 MA à 250 MA. Deuxième période : 140 MA à 90 MA. 10 L évolution des végétaux 1 Les ptéridophytes sont apparus à 380 MA, les gymnospermes à 310 MA et les angiospermes à 130 MA. 2 Il y a 200 MA, les ptéridophytes et les gymnospermes peuplent le milieu continental. 3 Actuellement, les végétaux continentaux sont surtout des angiospermes. Les ptéridophytes et les gymnospermes sont moins représentés. 4 Depuis leur apparition à 130 MA, les angiospermes se développent. 11 Des crises de la biodiversité au cours des temps géologiques 1 On constate que le taux d extinction des coraux est très important à 355 MA et 250 MA. Ce sont deux périodes de régression. 2 À 355 MA, on constate que les trilobites et les ammonoïdés subissent une extinction importante (taux d extinction fort), donc ils régressent. À 250 MA, on constate que les crinoïdes, les ostracodes, les gastéropodes, les bryozoaires, les foraminifères subissent une extinction importante et sont donc en phase de régression. À cette date, les trilobites disparaissent. 3 C est donc la crise à 250 MA qui apparaît comme de forte ampleur. 4 On repère d autres crises à 500 MA, 435 MA, 408 MA, 295 MA où un ou plusieurs groupes sont concernés par un taux d extinction plus ou moins important. 12 Vers une sixième crise de la biodiversité 1 Il reste gorilles des forêts actuellement. On estime que depuis 1980, 60 % des gorilles ont disparu. Il reste donc 40 % des gorilles de Il y avait donc en 1980, ( ) / 40 = gorilles. En 28 ans, 60 % de la population des gorilles a disparu. L espèce est donc en voie d extinction. 2 Le calcul peut être réalisé suivant le modèle suivant : mammifères : pourcentage d espèces menacées d extinction = (100 / 5 416) = 20,2 % On a alors les résultats suivants : oiseaux : 12,2 % ; reptiles : 5,1 % ; amphibiens : 29,2 % ; poissons : 4,0 % ; insectes : 0,65 % ; mollusques : 1,2 % ; crustacés : 1,1 % ; ptéridophytes : 1,0 % ; gymnospermes : 32,7 % ; angiospermes : 3,1 %. Les groupes qui sont en voie de régression présentent un fort pourcentage d espèces menacées de disparition. Ce sont donc les mammifères, les oiseaux, les amphibiens, les gymnospermes. 3 On constate que, excepté pour les gymnospermes, le nombre d espèces menacées d extinction dans chaque groupe augmente entre 1998 et On constate que plusieurs groupes sont en période de régression actuellement avec de fort taux d espèces menacées d extinction. Dans les autres groupes, on constate que globalement, entre 1998 et 2007, le nombre d espèces menacées d extinction ne cesse d augmenter. On peut donc affirmer que le monde vivant est en train de subir une crise de la biodiversité majeure. Chapitre 5 Au cours du temps, des peuplements qui changent 65

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25 CHAPITRE 6 L ÉVOLUTION DES ÊTRES VIVANTS Ce chapitre permet de construire l idée d évolution. Elle a été progressivement suggérée, abordée, parfois sans le dire, dès la classe de sixième. Il s agit à présent de conduire les élèves à : rassembler des faits pour formuler un premier niveau de la théorie de l évolution des êtres vivants ; comprendre la classification des êtres vivants comme une représentation des parentés résultant de l évolution. Les documents présentés en ouverture de ce chapitre sont des indices et des bases pour engager un dialogue avec les élèves sur les liens entre les espèces fossiles et les espèces actuelles. Chapitre 6 L évolution des êtres vivants 67

26 QUE DOIVENT SAVOIR LES ÉLÈVES AVANT D ABORDER CE CHAPITRE? Cette partie du programme a été préparée : en classe de 6 e par l étude de la cellule, unité du vivant confrontée au constat de la diversité des espèces ; en 5 e, par l étude des conditions de formation des roches sédimentaires et la reconstitution d un paysage ancien qui ont permis de relier la présence de divers fossiles à des conditions de milieu ; en 5 e et en 4 e, par l étude de l unité de la respiration et de la reproduction ; à tous les niveaux du collège, par le classement des espèces sous forme d ensembles emboîtés. Ce chapitre s appuie aussi sur les connaissances construites dans les chapitres précédents. Il convient donc de s assurer des acquis nécessaires pour aborder ce chapitre et éventuellement de les raviver. Ce chapitre permet de développer le sens de l observation et l esprit critique. LE PROGRAMME OFFICIEL (Extrait du B.O. n 6 (vol 2) du 19 avril 2007, hors-série) Le programme présente les références au socle commun de connaissances et de compétences en caractères droits. Le reste du programme est en italique. Connaissances La cellule, unité du vivant, et l uniformité des instructions du patrimoine génétique dans tous les organismes vivants d aujourd hui, Homme compris, indiquent sans ambiguïté une origine primordiale commune. Les espèces apparaissent et disparaissent au cours des temps géologiques. Leur comparaison conduit à imaginer entre elles une parenté, qui s explique par l évolution. L existence de ressemblances entre des groupes apparus successivement suggère la parenté des espèces qui les constituent. Une espèce nouvelle présente une organisation commune et aussi des caractères nouveaux par rapport à une espèce antérieure dont elle serait issue. L Homme, en tant qu espèce, est apparu sur la Terre en s inscrivant dans le processus de l évolution. L évolution, au cours des temps géologiques, n est pas perceptible à l échelle humaine. La présence de caractères nouveaux suggère des modifications du programme génétique au cours des générations. 68 Capacités déclinées dans une situation d apprentissage Observer, questionner, formuler une hypothèse et la valider, argumenter afin d établir le concept d évolution. Exploiter des textes, schémas, graphiques, bases de données [compétence 4 B2i domaine 4] afin d établir une relation de parenté entre les espèces. Situer dans le temps des découvertes scientifiques. [Compétence 5] Exemples d activités Comparaison de plans d organisation de vertébrés. Utilisation du logiciel Phylogènecollège pour créer des groupes emboîtés et montrer qu un système de groupes emboîtés porte la même information qu un arbre. Comparaison de quelques fossiles d une lignée, pour identifier leurs ressemblances et leurs différences. Repérage et positionnement de l Homme sur un «arbre d évolution» des vertébrés ou des primates. Étude de texte renseignant sur le pourcentage de gènes communs entre le chimpanzé et l Homme. Étude de textes historiques concernant l évolution. [Histoire des sciences] Utilisation de logiciels montrant comment la sélection sur une variation aléatoire peut rapidement «trouver» une phrase donnée au départ. Un «complément» au programme, publié le 30 mai 2008, est consultable sur le site ÉduSCOL à l adresse :

27 LA PROGRESSION DANS LE CHAPITRE Les auteurs ont voulu mettre en place une démarche d appropriation progressive des données, des faits qui fondent la théorie de l évolution. Les différentes activités apportent aux élèves des informations, des arguments scientifiques pour formuler, en définitive, une hypothèse relative à l évolution des êtres vivants et particulièrement des vertébrés. Introduction et activité 1 : s informer/découvrir (50 minutes) La première activité est précédée du dialogue engagé à partir des documents des pages 98 et 99. Il s agit d une activité de prise d informations pour découvrir quelques ressemblances qui rassemblent les groupes de vertébrés, premiers arguments d une parenté entre les groupes de vertébrés. Activité 2 : s informer/découvrir (50 minutes) Cette activité conduit l élève à retrouver des liens de parenté entre des vertébrés fossiles et des vertébrés actuels. Les auteurs ont privilégié un exemple, celui des oiseaux et des dinosaures dont les liens de parenté sont schématisés sur un arbre d évolution. Le programme précise que les élèves n ont pas à construire un arbre d évolution. Ici il s agit de donner du sens à cette représentation proposée à l élève. Activité 3 : s informer/découvrir (50 minutes) Les liens de parenté établis entre les vertébrés permettent de construire un arbre d évolution où on trouve des fossiles «porteurs d innovations» qui marquent l évolution. Activité 4 : s informer/découvrir (50 minutes) Les élèves ont ici à trouver, dans les documents donnés, des arguments suggérant une origine commune à toutes les espèces. Les arguments sont tirés d observations microscopiques (cellules) et de résultats d expériences de transgenèses. L arbre d évolution proposé page 107 rappelle schématiquement l origine commune de tous les êtres vivants et donne une dimension temporelle à l évolution. Les auteurs ont choisi de mettre l élève en situation de parcourir cet arbre en repérant quelques vertébrés fossiles dont «une carte d identité» est fournie. On établit une relation entre évolution et classification des vertébrés. Activité 5 : s informer/découvrir (50 minutes) Cette activité présente des informations scientifiques sur l histoire d une théorie, celle de l évolution. Cette activité peut être l occasion d amener l élève à faire preuve d esprit critique. L ATELIER B2i Cette activité permet à l élève de construire ou de renforcer : une compétence informatique : «créer, produire, traiter, exploiter des données en utilisant un logiciel de simulation (C.3)» ; une compétence liée au programme de SVT : «classer quelques espèces de vertébrés et comparer les groupes emboîtés obtenus à l arbre d évolution à l aide du logiciel phylogène». Le site : propose les ressources pour réaliser cette production que l élève pourra évaluer en se référant au document de positionnement «élève» du BO du 16 novembre Chapitre 6 L évolution des êtres vivants 69