L’exposition que vous visitez aujourd’hui concerne l’évolution de la lignée humaine. Une première question qui peut nous venir à l’esprit est : Qu’est ce








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Cahier du prof

Introduction

L’exposition que vous visitez aujourd’hui concerne l’évolution de la lignée humaine. Une première question qui peut nous venir à l’esprit est : « Qu’est ce que l’homme moderne? ». A cette question assez vague, des dizaines de réponses sont possibles. On peut caractériser l’homme par le fait qu’il a adopté une station verticale permanente par exemple, ou par le fait que c’est un primate de grande taille, que ses membres postérieurs sont plus grands que ses membres antérieurs, qu’il n’a pas de queue, …

Ensuite on peut se demander : «  Est- ce que les individus de la lignée humaine ont toujours ressemblés à l’homme moderne ? » A cette question par contre, une seule et unique réponse existe bien sûr : non, les individus de la lignée humaine n’ont pas toujours eu l’apparence de l’homme moderne. Australopithèque, l’homme de Neandertal, l’homme de Cro-Magnon, … appartiennent tous à la lignée humaine et sont pourtant bien différents de l’homme moderne.

On observe donc une évolution au sein de la lignée humaine depuis l’apparition du genre Homo il y a environ 2,5 millions d’années.

Mais cette évolution est un phénomène qui concerne tous les êtres vivants, pas seulement ceux appartenant à la lignée humaine. Il existe de nombreuses preuves de cette évolution des êtres vivants, telle que les fossiles dont on vous reparlera durant cette exposition.
Le mécanisme de cette évolution est le phénomène qu’on appelle la sélection naturelle. Ce terme a été inventé par Charles Darwin suite notamment aux nombreuses observations de la faune et de la flore qu’il avait réalisé durant son périple de 4 ans sur le Beagle. Darwin a également mis ses nombreuses observations en lien avec le phénomène de sélection artificielle pratiquée depuis de nombreuses années par les Humains. Ces derniers ont modifiés certaines espèces au fil de nombreuses générations en sélectionnant des géniteurs possédant les caractères souhaités. S’alimentant de toutes ces ressources, Darwin a inventé le terme « sélection naturelle ».

Darwin a remarqué qu’au sein d’une même population, les individus possédant certains caractères, se reproduisent à un taux plus élevé que les autres. De ce fait, les allèles pour les caractères favorisés tendent à devenir plus fréquents au cours des générations, c’est cela qu’on appelle la sélection naturelle. Cette sélection aboutit à une adaptation à l’environnement.

Afin d’expliquer aux élèves ce qu’est la sélection naturelle, nous avons opté pour une petite activité où nous choisissons 3 élèves du groupe au hasard. Ensuite, chacun d’entre eux se munit du gant qu’on lui aura donné. Un élève a à sa disposition un gant en latex, un autre a un gant en laine et le troisième a une manique de cuisine. Chacun des 3 élèves a à sa disposition un Fruitella, représentant grossièrement la nourriture de ces individus. Ils ont 30 secondes pour déballer le bonbon et le manger. Il est bien sur évident que l’élève muni de la manique sera moins apte à déballer le Fruitella et à le manger. On perçoit donc cette notion que « les individus possédant un caractère avantageux vis-à-vis du milieu seront avantagés par rapport aux autres et leur reproduction s’en verra augmentée ». Il est important de noter que dans notre exemple, c’est le gant en latex qui est favorisé vis-à-vis des conditions du milieu : la nourriture (graines contenues dans des coquilles qu’il faut ouvrir, …) nécessite une importante habilité au niveau des mains et donc, la personne portant le gant en latex « ouvrira » plus facilement ces « coquilles ». Dans un autre environnement, c’est un autre caractère qui aurait pu être favorisé. C’est important de faire percevoir aux élèves cette notion qu’un caractère n’est pas, par définition, favorable ou non. Un caractère est favorable (ou défavorable) à un moment donné, dans des conditions environnementales données.
La sélection naturelle est un mécanisme qui a lieu partout, depuis toujours, tant chez les oiseaux que chez les animaux marins, que chez l’homme ! Par la sélection naturelle, les individus s’adaptent à leur milieu et évoluent.
Il y a quelque minutes, nous avons cité certaines caractéristiques de l’homme, mais nous en avons oublié une importante : l’homme (Homo sapiens) est la seule espèce vivante sur terre qui a entrepris de mettre de l’ordre dans le monde vivant.
« Avez-vous déjà cherché à mettre de l’ordre dans les individus de votre famille par exemple ? » Certainement que beaucoup d’élèves présent auront déjà réalisé ou vu un arbre généalogique de leur famille. L’arbre généalogique nous indique « qui descend de qui ». Nous descendons de nos parents, qui eux-mêmes descendent de nos grands-parents, qui eux-mêmes descendent de nos arrières grands-parents, qui eux-mêmes … Il est possible d’établir un arbre généalogique d’une famille car il existe des traces (registres nationaux, …) de l’existence de toutes les personnes qui la compose depuis de très longues années déjà.
En biologie, lorsque nous voulons mettre de l’ordre dans le monde vivant, nous établissons également un arbre mais différent de l’arbre généalogique dont nous venons de parler. En effet, il serait totalement impossible d’établir l’arbre généalogique de la lignée humaine par exemple. Certes, de nombreux fossiles appartenant à la lignée humaine ont été découvert, mais il manque des centaines de milliers d’individus à l’appel. Nous pouvons cependant réfléchir, non pas à la question « qui descend de qui ? » mais « qui est plus proche de qui ? ». Un arbre qui montre « qui est plus proche de qui » est un arbre phylogénétique. Les élèves auront l’occasion d’en observer un à la première vitrine de l’exposition et lors de l’activité phylogène.
Phylogène




Objectifs didactiques de l’activité

Cette activité vise à familiariser les élèves avec la classification phylogénétique des êtres vivants. Pour rappel, la classification phylogénétique est une méthode de classification du monde vivant qui a pour objectif de rendre compte du degré de parenté entre différentes espèces et ainsi, de comprendre leur histoire évolutive.

Après l’observation d’un arbre phylogénétique des vertébrés, ils seront amenés à réaliser eux-mêmes l’arbre phylogénétique des primates.
Pourquoi classe-t-on ? Que classe-t-on ?

Il est ensuite important de se demander « Pourquoi est-ce qu’on classe ? » et « Qu’est-ce qu’on classe ? ». Nous classons tout : les livres, les papiers, les photos, les collections, les êtres vivants, … Classer nous permet de structurer le monde extrêmement diversifié qui nous entoure.
Oui mais « classer », c’est quoi exactement ?

« Classer » les êtres vivants en biologie, c’est établir des regroupements entre ces organismes, dans un cadre évolutif, sur la base d’un critère donné que l’on appellera « attribut ». Classer un échantillon d’êtres vivants revient donc à mettre en évidence une certaine hiérarchie dans la distribution des attributs parmi ces individus. Cela permet de créer des groupes emboités d’êtres vivants partageant des attributs communs, tels que la présence de plumes, d’un amnios, … L’histoire de la vie nous permet de classer les espèces.
Dans la conception fixiste du monde, la Nature et l’Homme ont été crée une fois pour toutes par le divin. L’Homme a été crée à l’image de ce dernier et est donc considéré comme la créature parfaite, occupant une place centrale dans le monde vivant. La classification linnéenne du début du 18ème siècle était une classification hiérarchisée où l’homme était sommet de ce que l’on appelait « l’échelle des êtres ». Les autres organismes étaient alors classés « en comparaison avec l’homme », caractérisés par ce qu’ils n’avaient pas par rapport à ce dernier. C’est ainsi que la dénomination « invertébrés » correspondait aux organismes qui, contrairement à l’homme, n’ont pas de vertèbres. Caractériser un individu par ce qu’il n’a pas ne tient bien sur pas la route. Les groupes formés par comparaison de ce qu’ils ont ou n’ont pas par rapport à l’homme sont dit « anthropocentrés ».
Arbre phylogénétique des vertébrés :


Que nous apprend cet arbre ? Laissez les élèves réfléchir puis donner leurs idées.

Il nous indique que l’homme est plus proche du gorille et du chat que des autres espèces, mais nous observons cependant que nous sommes incapables de dire si l’homme est plus proche du chat ou du gorille en se basant sur cet arbre. Les caractères utilisés dans la reconstruction phylogénétique ne permettent pas de déduire les parentés entre ces 3 espèces, il faudrait donc ajouter d'autres caractères. De même, nous sommes incapables de dire si c’est le lézard ou la mésange qui est plus proche du groupe des espèces contenant des mamelles et des poils. Il faudrait donc également ajouter d’autres caractères. Ces derniers ne doivent pas nécessairement être morphologiques. En effet, les données moléculaires des espèces sont de plus en plus utilisées en classification. Actuellement, il est extrêmement fréquent de comparer les séquences d’ADN, d’ARN, de protéines, … de différentes espèces. Ces données pourraient nous permettre dans ce cas par exemple de lever l’indétermination du groupe chat-gorille-homme.
Nous observons des carrés jaunes aux intersections des branches ; on les appelle des « nœuds » : Ils représentent les ancêtres communs de ces mêmes branches. Par exemple, le dernier carré (= nœud 6) représente l’ancêtre commun du chat, du gorille et de l’homme. Nous savons que cet ancêtre possédait un crâne, des vertèbres, un squelette osseux, des doigts, un cou, un amnios, des mamelles et des poils, mais nous ne connaissons pas toutes ses caractéristiques avec précision, c’est donc un être hypothétique, une sorte de portrait-robot. De même l’avant dernier nœud (= nœud 5) représente l’ancêtre commun du lézard, de la mésange, du chat, du gorille et de l’homme ; il possède les mêmes caractères que l’ancêtre « chat-gorille-homme » (= nœud 6) excepté les mamelles et les poils qui sont des caractères homologues dérivés (voir lexique) du groupe « chat-gorille-homme ».

Nous demandons aux élèves si les caractères « mamelles et poils » permettent de former un groupe monophylétique ; si oui, quelles espèces sont comprises dans ce groupe ? La réponse est oui, et les espèces comprises dans ce groupe monophylétique sont « chat-gorille-homme ».
Comment construire l’arbre phylogénétique des primates ?

Tout d’abord, il est essentiel de définir la notion de groupe externe que nous allons utiliser lors de la construction de cet arbre phylogénétique. Nous venons de parler des caractères homologues dérivés qui sont des caractères qui ne sont pas présents chez l’ancêtre commun, mais qui apparaissent ensuite sur les branches issues de cet ancêtre commun.

D’autre part, il existe des caractères homologues ancestraux qui sont eux des caractères présents chez 2 (ou plusieurs espèces), mais qui étaient déjà présent chez l’ancêtre commun. Ces derniers caractères ne nous permettent donc pas de classer les espèces ; seul le premier type de caractère est utile en classification. Ainsi, pour savoir si un caractère est une homologie ancestrale ou dérivée, il faut choisir un groupe, appelé groupe externe, qui est, comme son nom l’indique, extérieur au groupe que l’on désire classer, mais cependant assez proche de celui-ci. On postule ensuite que tous les caractères de ce groupe externe sont des caractères ancestraux. De ce fait, si 2 (ou plusieurs) espèces que l’on désire classer possèdent certains caractères semblables à ceux du groupe externe, c’est qu’il s’agit d’homologies ancestrales.
Caractéristiques des espèces :

Dans un premier temps, il peut être bon que les élèves se familiarisent un peu avec les différentes espèces que l’on va classer. Ainsi, en cliquant sur l’icône correspondant à une certaine espèce dans le programme, et en sélectionnant ensuite « Générales » dans l’onglet « Données » situé en bas de page, un cadre avec les informations générales (localisation, …) de l’espèce apparait à l’écran (voir figure 1). Les élèves sont amenés à faire cela pour quelques espèces.
D’autres données peuvent également être consultées dans ces onglets telles que les données biologiques et anatomiques.



Figure 1: Observation des données générales sur les différentes espèces à classer
Construction de la matrice taxons/caractères :

Pour construire cette matrice, il faut cliquer sur « construire » dans la barre d’outils (voir figure 2).


Figure 2: Barre d'outils du programme Phylogène. Il faut cliquer sur "Construire" pour commencer.
Suite à cela, en bas à gauche de l’écran apparait une liste de caractères (voir figure 3).



Figure 3: Liste des caractères pouvant être utilisés pour classer ces primates
Ce sont les caractères que nous allons pouvoir utiliser pour classer ces primates. Il faut sélectionner l’entièreté des caractères en cliquant sur leurs noms. Les 6 colonnes de la matrice sont ainsi formées (voir figure 4). Ici, dans l’exercice proposé aux élèves, nous étudierons l’entiéreté des caractères mais nous aurions pu choisir de n’en traiter que quelques uns.





Figure 4: Obtention des 6 colonnes de la matrice taxons/caractères.
Une fois les colonnes de la matrice crées, il faut créer les lignes. Nous avons choisit de travailler avec l’entièreté des espèces, nous devons donc toutes les sélectionner (y compris le chat donc !) dans le cadre situé en bas à gauche de la page. Lorsqu’on clique sur une espèce, son nom s’indique en jaune et une ligne correspondante à cette espèce apparait dans la matrice (voir figure 5).





Figure 5: Obtention des 8 lignes de la matrice taxons/caractères.

Ensuite, nous remplissons la matrice colonne par colonne. Commençons par le coccyx. « Le chat a-t-il un coccyx ? ». Il faut cliquer sur la case « chat-coccyx » pour voir apparaitre un dessin en bas à droite de l’écran qui aidera l’élève à répondre à la question. Après avoir trouvé la réponse, l’élève clique sur « présent » (ou « absent ») ou sur « oui » (ou « non ») (voir figure 6).





Figure 6: Dessin aidant à remplir la matrice
Une fois la matrice remplie, il faut cliquer sur « Vérifier » en bas de l’écran (voir figure 6). Là un cadre apparait, nous indiquant si oui ou non la matrice est correcte. Si elle n’est pas correcte, le nombre de fautes est indiqué et il faut les corriger avant de passer à l’étape suivante (la correction ne se fait pas automatiquement).

Une fois la matrice corrigée, il faut cliquer sur « Classer » dans la barre d’outils du programme (voir figure 7).

Figure 7
Suite à cela, la matrice apparait en bas de l’écran avec les caractères présents chez les différentes espèces indiqués en jaune (voir figure 8).



Figure 7: Matrice obtenue après avoir "classer".

Il faut ensuite cliquer sur les lignes et les colonnes afin de modifier leur ordre et d’obtenir une matrice telle que représentée à la figure 9 ; c’est-à-dire avec comme première colonne, celle du caractère étant présent chez le plus d’espèces, et ainsi de suite.


Figure 9: Après réarrangement de l'ordre des lignes et des colonnes, la matrice doit avoir cette allure en "escalier".

Ensuite, il faut cliquer à gauche de la matrice sur la case « Afficher les boîtes » (voir figure 11).



Figure 8: Cliquer sur "Afficher les boites" pour créer les boites correspondant aux différents caractères.

Par exemple, lorsqu’on clique sur « poils » dans la matrice de la figure 9, une boite « poils » comprenant toutes les espèces possédant des poils apparait en haut de l’écran (voir figure 12). Lorsqu’on crée la première boite, un arbre phylogénétique apparait à droite de l’écran. Nous observons que toutes les branches partent d’un même ancêtre commun. Il est donc important de constater qu’avec le seul caractère « poils », il est strictement impossible de dire qui est plus proche de qui parmi les espèces étudiées (voir figure 12).



Figure 9: Une boite "poils" apparait, ainsi que l'arbre phylogénétique correspondant.

Puis il faut cliquer successivement sur l’ensemble des caractères (titres des 6 colonnes) afin de créer toutes les boites correspondantes. Les boites ainsi crées vont s’emboiter les unes dans les autres, on est donc bien occupé à créer des groupes qui s’emboite : on est occupé à classer.

Il faut rappeler aux élèves de bien regarder l’arbre phylogénétique à chaque fois qu’ils créent une boite supplémentaire. Après avoir cliqué sur le dernier caractère, l’arbre phylogénétique « final » apparait (voir figure 13).


Figure 10: Arbre phylogénétique final.

Dans un premier temps, les élèves sont amenés à redessiner cet arbre dans leur cahier.

Ensuite, nous analysons cet arbre tous ensemble. Une feuille contenant les questions suivantes sera distribuée aux élèves et ils répondront aux questions à l’endroit prévu à cet effet.

  • « Le chimpanzé est il plus proche du gorille ou de l’orang-outan ? ». Par cette question, les élèves se rendent compte qu’il y a un problème, une indétermination au niveau de 5 espèces. Ils se rendent compte qu’ils sont incapables de dire de qui le chimpanzé est le plus proche.

  • « Que remarquez-vous quant au groupe chimpanzé -gorille-gibbon-homme-orang outan ? ». Les caractères utilisés dans la reconstruction phylogénétique ne permettent pas de déduire les parentés entre ces 5 espèces.

  • « Que faudrait-il faire pour pouvoir distinguer qui est plus proche de qui au sein de ces 5 espèces ? ». Il faudrait ajouter d'autres caractères. Ces caractères ne doivent pas nécessairement être des caractères morphologiques, mais peuvent par exemple être des caractères moléculaires. En effet, ce type de caractère est de plus en plus utilisé en classification ; on compare les séquences d’ADN, d’ARN, de protéines, … de différentes espèces.

  • « Quelles sont les caractéristiques de l’ancêtre commun à ces 5 espèces ? ».

Pour savoir cela, il suffit de cliquer sur le carré jaune situé à la base des 5 branches. Un cadre indiquant les caractéristiques de cet ancêtre commun apparait alors (voir figure 14).

  • Après avoir rappelé ce qu’était un groupe monophylétique : « Est-ce que le caractère « narines rapprochées » te permet de créer un groupe monophylétique ? Si oui, quelles espèces sont comprises dans ce groupe ? »




Figure 11: Caractéristiques de l'ancêtre commun au groupe comprenant chimpanzé-gorille-homme-orang outan-gibbon.

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