Activité développée par Pascale Papleux en collaboration avec le Professeur Renate Wesselingh

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1 Jeu des papillons Activité développée par Pascale Papleux en collaboration avec le Professeur Renate Wesselingh Scienceinfuse Antenne de formation et de promotion du secteur sciences & technologies rue des Wallons 72 L Louvain-la-Neuve

2 Introduction Scienceinfuse JEU DES PAPILLONS - 2 Ce jeu tente d illustrer (de modéliser), de manière simple, quelques mécanismes qui interviennent dans la théorie néodarwinnienne ou théorie de l évolution. Il va permettre aux élèves de vivre une simulation d expérience concernant l évolution d une espèce. Vous trouverez dans ce dossier : le livret élève complété ; des pistes pour une exploitation didactique du jeu ; la fiche reproduction (reprenant les règles à appliquer lors du lancer de dé) ; la liste de ressources disponibles à Scienceinfuse afin de développer le thème de l évolution. Un kit reprenant l ensemble du matériel permettant de réaliser le jeu en classe est disponible à Scienceinfuse. Ce kit comprend : 4 morceaux de tissu identiques représentant un milieu naturel (milieu fleuri très chamarré) 4 boites contenant des populations de papillons de différentes couleurs (au moins 3 couleurs semblables à celles du milieu et 2 couleurs totalement différentes à celles du milieu) 4 dés Des pinces à insectes Un dossier enseignant et un livret élève

3 Scienceinfuse JEU DES PAPILLONS - 3 Introduction Livret élève complété Une population de papillons appartenant à l espèce «papillons blancs» a quitté son milieu habituel et a migré vers un nouvel environnement. Peut-on prévoir comment cette population va évoluer? Formulez une ou des hypothèse(s): L évolution d une population sous l effet du hasard et des contraintes environnementales peut aboutir à la disparition de la population et éventuellement de l espèce à laquelle elle appartient. Inversement deux populations peuvent s individualiser au sein d une même espèce jusqu à former deux espèces distinctes par un processus nommé spéciation. Comment définit-on une espèce? Une espèce est une population ou un ensemble de populations dont les individus peuvent effectivement ou potentiellement se reproduire entre eux et engendrer une descendance viable et féconde, dans des conditions naturelles. Comment définit-on une population? Ensemble d individus appartenant à une même espèce, mais qui ont subi un isolement reproductif (se reproduisent entre eux au sein d un territoire donné, par exemple) Mise en place et déroulement Chaque équipe reçoit un morceau de tissu, une population de papillons de différentes tailles et différentes couleurs (boîte) ainsi qu une pince à insecte, un dé et une règle du jeu. Un des joueurs joue le rôle de prédateur ; il s éloigne de la table de jeu. Les autres joueurs répartissent les papillons blancs (5 grands, 8 moyens et 5 petits) sur le morceau de tissu déployé sur la table. A tour de rôle, les joueurs choisissent, parmi les papillons restants sur le tissu, un individu avec lequel il désire se reproduire. Le joueur lance alors le dé et, en fonction du chiffre, il obtiendra un ou des descendants (voir fiche «reproduction, fin du dossier»). Il les place sur le tissu de façon stratégique. Lorsque tous les joueurs ont placé leurs papillons, le meneur renvoie les prédateurs pour chasser des papillons. Pour ce faire, les prédateurs s approchent des tables le dos tourné et quand le meneur donne le signal ils prennent un à un, sur le tissu, les papillons qu ils repèrent. La prédation dure 10 secondes. A la fin de la partie, l équipe fait le compte des papillons restant sur le jeu et en prend note, puis range le matériel en triant correctement les papillons dans la boite.

4 Scienceinfuse JEU DES PAPILLONS - 4 Questions avant le commencement du jeu Que modélise le morceau de tissu? Il représente le milieu naturel ou l écosystème. Les espèces sont profondément influencées par leur milieu naturel. Quel rôle tient «le lancer du dé»? Celui du hasard et du caractère aléatoire de la transmission des caractères lors de la reproduction sexuée. On constate une diversité au sein de la population de départ (taille). Cette diversité est-elle un avantage ou un inconvénient pour la survie de la population dans un milieu donné? Un avantage, car cela évite la disparition complète de l espèce (par exemple, les papillons les plus grands sont plus vite repérés que les papillons de taille plus modeste). Résultats Remplissez le tableau ci-dessous en comptant le nombre de papillons restants sur le morceau de tissu. Petits Moyens Grands Orange Jaune Blanc Rose/rouge Vert Mauve En ce qui concerne la taille, il reste, en général, plus de petits papillons. En ce qui concerne la couleur, il reste, en général, plus de papillons de couleur favorable (blanc, vert, rose) que de papillons de couleur défavorable (jaune, orange, mauve).

5 Analyse des résultats Scienceinfuse JEU DES PAPILLONS - 5 Pour un même milieu, au départ d une population identique, obtient-on les mêmes résultats dans chaque équipe? Non. Cela est du à l influence du hasard (apparition au niveau génétique de nouveaux caractères) et à des causes fortuites (dues aux contraintes environnementales et à la sélection naturelle) Quelles pourraient être les causes des différents phénotypes (couleur et taille) présents à la fin du jeu? L apparition de nouveaux caractères se produit par mutation ou remaniement chromosomique recombinaison génétique) au niveau des cellules germinales. Ces changements se font de manière aléatoire. Exemples : mutations ponctuelles (substitution, insertion, délétion de nucléotides), mais beaucoup de ces mutations sont neutres. éléments mobiles (morceaux d ADN qui changent de place dans le génome par excision/insertion, ou séquence d ADN transcrite en ARN qui est ensuite retranscrite en ADN et insérée en un autre endroit). duplication de gènes préexistants suivis des mutations ponctuelles des duplicata. petites mutations au niveau des gènes homéotiques (ou gènes du développement ou gènes architectes). Ces modifications ne se déroulent que pour un individu et pas pour l espèce entière. Il faut l action de la sélection naturelle pour que ce nouveau caractère se répande dans la population au cours des générations successives. Pourquoi certains phénotypes sont-ils, en fin de partie, plus présents que d autres? Certaines mutations entrainent l apparition d un phénotype favorable. C est-à-dire un phénotype qui va permettre à l individu d être sélectionné positivement par l environnement. Dans le cas de notre exemple, les papillons de petite taille ou ayant une couleur leur permettant de se camoufler dans l environnement subiront moins de pression de prédation. Dès lors, leur reproduction sera plus importante. Quelle action le prédateur exerce-t-il sur la population de papillons? Il pratique une sélection qui détermine les individus les plus adaptés (individus qui possèdent les caractères qui favorisent la survie et donc la reproduction). Quelles sont les difficultés et les facilités rencontrées par le prédateur pour assurer ce rôle? Si le papillon est de couleur totalement différente de celle de son environnement, il est facilement repérable et est très vite éliminé. Si le papillon possède une couleur plus en harmonie avec le milieu, sa survie dépend de la perspicacité du prédateur et du hasard sur la manière dont il va poser son regard sur le milieu (évènements imprévisibles circonstances fortuites).

6 Scienceinfuse JEU DES PAPILLONS - 6 Le comportement du prédateur a-t-il modifié vos stratégies lors de la reproduction? Si oui, comment? Dans le cas où le prédateur prend les papillons dans une partie du milieu naturel, les autres joueurs auront tendance à ne plus mettre de descendant dans cette partie là. Suivant les couleurs choisies par le prédateur, les autres joueurs vont orienter leur choix. Identifiez quelques facteurs qui, dans un milieu naturel, exercent une pression sur une population. Des facteurs physico-chimiques (biotope) : climat, type de milieu (forêts, prairies,..), etc. D autres êtres vivants (biocénose) : prédateurs, compétiteurs, parasites, proies, etc. Si le scénario de l histoire de l évolution des êtres vivants devait se dérouler à nouveau à la surface de la Terre, sur une même durée (3,8 milliards d années), obtiendrait-on une biodiversité identique à celle que nous connaissons aujourd hui? Pourquoi? Sans doute pas L histoire des organismes est un processus historique dont le déroulement dépend de la présence d une population, avec une composition génétique donnée et des conditions environnementales initiales données. Si n importe laquelle de ses conditions initiales est différente, l issue sera aussi différente et influera sur les populations et les circonstances suivantes, de sorte que toute l histoire sera modifiée.

7 Pistes didactiques Scienceinfuse JEU DES PAPILLONS - 7 Voici quelques points qui peuvent être abordés avec les élèves durant l animation. Au niveau cellulaire, les individus appartenant à une même espèce sont caractérisés par leur caryotype. En effet, tous les individus d une espèce possèdent le même nombre de chromosomes, et cela de génération en génération (papillons : 190 paires de chromosomes). Cette stabilité au sein de l espèce est assurée par la réplication semi-conservative de l ADN d une part et par la méiose et la fécondation (si reproduction sexuée) d autre part. Au départ, la population de papillons blancs est représentée par des petits, des moyens et de grands individus. Cela représente la diversité au sein de cette population. Divers mécanismes cellulaires et moléculaires permettent d assurer cette diversité. Les individus ne possèdent pas la même information génétique : - Les erreurs lors de la réplication de l ADN qui précède la mitose et la méiose lors de la formation des cellules germinales - Les recombinaisons génétiques lors de la méiose (Brassage intra-chromosomique ou crossingover lors de la prophase 1 de la méiose) - La séparation aléatoire des paires de chromosomes lors de la méiose (brassage interchromosomique lors de la métaphase 1 de la méiose) - La reproduction sexuée : lors de la fécondation, une partie du génome de chaque parent est sélectionnée aléatoirement pour former un nouvel individu dont le génome est par conséquent unique. Les individus ont subi des influences dues à leur environnement L'épigénétique est le domaine qui étudie comment l'environnement et l'histoire individuelle in fluent sur l'expression des gènes, et plus précisément l'ensemble des modifications transmissibles d'une génération à l'autre et réversibles de l'expression génique sans altération des séquences nucléotidiques. Cette diversité au niveau des gènes se manifeste par la diversité des phénotypes pour un caractère donné : couleur des ailes, grandeur de l individu, couleur du plumage, couleur de la peau, couleur des yeux, etc. Le prédateur représente un facteur de l environnement qui entraine une sélection naturelle. La sélection naturelle est l ensemble de mécanismes qui vont sélectionner l apparition de certains traits héréditaires dans une population afin d augmenter les chances de survie et de reproduction des individus. Au cours du jeu, les papillons se reproduisent de manière sexuée (femelle est hétérogamétique WZ et mâle ZZ). A son tour, le joueur choisit un papillon parmi tous ceux présents. Ce choix représente la sélection sexuelle, une composante de la sélection naturelle.

8 Scienceinfuse JEU DES PAPILLONS - 8 Lors de la reproduction, les organismes laissent plus ou moins de descendants (ce nombre est dû à des causes fortuites, causes qui surviennent de manière imprévues) et ils transmettent leurs caractéristiques à ces descendants. Ces caractéristiques sont parfois aussi altérées et les évènements à l origine de ces variations sont appelées les mutations. L apparition des mutations est un phénomène aléatoire. Ces variations sont elles aussi transmises à la descendance. Certaines mutations sont favorables, on parle alors d adaptation, c est-à-dire un changement qui offre un avantage pour la survie et la reproduction d un individu. Sa dispersion dans la population est partiellement déterminée (mais pas complètement) par sa valeur adaptative, par rapport à la forme d origine.

9 Reproduction Scienceinfuse JEU DES PAPILLONS : reproduction conforme (un descendant semblable au papillon sélectionné) 2 : reproduction conforme (deux descendants semblables au papillon sélectionné) 3 : reproduction conforme (trois descendants semblables au papillon sélectionné) 4 : mutation conduisant à un changement de forme du papillon sélectionné (deux descendants de même couleur mais de forme différente par rapport au papillon sélectionné) 5 : mutation de couleur défavorable par rapport au milieu (deux descendants de forme identique qui présentent une mutation de couleur défavorable par rapport au papillon sélectionné) 6 : mutation de couleur favorable par rapport au milieu (deux descendants de forme identique qui présentent une mutation de couleur favorable par rapport au papillon sélectionné).

10 Scienceinfuse JEU DES PAPILLONS - 10 Ressources disponibles Afin d aborder le thème de la phylogénie et de la sélection naturelle, les ressources suivantes sont disponibles à Scienceinfuse (Place Galilée) : VIDEOS : Espèce d espèce du CNRS (53 min) Evolution du CNRS (10 films courts d environ 10 min) Le grand voyage de Charles Darwin. ARTE (90 min)) L évolution dévoilée des FUNDP (90min) Surprenantes petites bêtes : formes étonnantes et couleurs infinies (50 min). C'est pas sorcier (25 min): Dent pour dent : Fred, Jamy et Sabine nous expliquent tout sur les incisives, les canines, les molaires, les dents de lait ou de sagesse. Bref, sur tous ces petits instruments minéralisés qui, avec le temps, se sont adaptés à notre régime d omnivores! Du riffifi dans les gènes : Depuis les années 80, on voit se développer un peu partout dans le monde des cultures de plantes très particulières. Ce sont les fameux OGM, les organismes génétiquement modifiés. Les OGM sont-ils utiles? Sont-ils complètement inoffensifs pour l homme? C est pas sorcier répond à quelques unes des questions que soulèvent ces plantes d un nouvel âge. Les antibiotiques : les bactéries font de la résistance: Fred et Jamy sont partis explorer cette guerre de l infiniment petit que se livrent bactéries et antibiotiques. Nous découvrons avec eux pourquoi de plus en plus de bactéries évoluent au point de rendre totalement inopérantes les attaques des antibiotiques et comment, par des gestes simples, on peut lutter au quotidien contre l apparition de ces résistances. Théorie de l'évolution : de Darwin à la génétique: les sorciers s interrogent sur les origines de l homme et des espèces qui l entourent. Depuis le 19e siècle, les avancées scientifiques et technologiques ont permis la reconstitution de la grande histoire de la Vie sur terre mais également de démontrer l influence de l activité humaine sur son évolution! Darwin ou Lamarck, quelle théorie s avère la plus juste pour expliquer l évolution des espèces? Qu est-ce qu une mutation génétique? Qu est-ce que la phylogénie moléculaire, nouvelle technique permettant de dater l apparition des ancêtres communs à plusieurs espèces? L homme d aujourd hui poursuit-il son évolution, sous quelles influences? Ressources disponibles sur le net : si vous cherchez des idées de séquences de cours, vidéos, animations, expériences concernant le thème de la nutrition, vous pouvez consulter le site e-mediascience ( Suivez les actualités scientifiques ainsi que nos événements sur facebook: scienceinfuse.ucl"