- enseignement Catholique

HGT - SCG
Biologie
UAA4
AUTEUR : Pascale Papleux
Fiche d’investigation 1
Comment établir des liens de parenté entre les êtres vivants qui peuplent un
écosystème donné ?
Au travers de cette activité, la compétence rencontrée sera :
« À partir des ressemblances entre les êtres vivants, induire que ces êtres vivants malgré leur
extraordinaire diversité, ont une origine commune »
Enoncé de la situation
À partir d’un écosystème donné (la mare, la forêt, le jardin, la litière…), on cherche à classer de manière
scientifique les animaux rencontrés afin de mettre en évidence les liens de parenté qui existent entre eux.
Avant de commencer l’activité, le professeur réalise un débat avec l’ensemble de la classe autour du
problème posé, afin de faire émerger un questionnement et des hypothèses sur les critères de classement.
Questionnement possible des élèves :
-
Comment fait-on pour classer ?
Quelle est l’utilité de classer des organismes vivants ?
…
Le professeur favorise les échanges et note les questions au tableau. L’ensemble de la classe se met alors
d’accord pour classer les animaux habitant un écosystème donné.
Problématisation
Le professeur demande aux élèves de faire une proposition pour classer une collection donnée d’espèces
animales. (Par exemple pour la forêt : cerf commun, carabe violet, cétoine dorée, coucou gris, écureuil
roux, épeire diadème, faucheux, geai des chênes, lièvre commun, mésange bleue, paon du jour, petit
sylvain, renard roux).
Le professeur demande ensuite aux élèves de se mettre par groupe et de réaliser une proposition de
classement.
Recueil et traitement des informations
Les élèves (en sous-groupes) proposent un classement des animaux de la collection. Chaque groupe
viendra présenter son travail à l’ensemble de la classe.
Voici quelques exemples de propositions :
a) ranger par taille, du plus petit au plus grand animal ;
b) ranger par ordre alphabétique des noms d’animaux ;
c) classer selon le régime alimentaire (carnivores, herbivores…) ;
d) classer selon le mode de déplacement (voler, marcher…) ;
e) classer selon le milieu de vie (air, sol, eau…) ;
f) trier selon que les animaux possèdent des os, des vertèbres… ou pas.
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Document1
Les élèves confondent souvent les actions de trier, de ranger et de classer.
Le professeur demande alors aux élèves de mieux distinguer ces trois notions en proposant l’activité
suivante.
Par exemple, à partir de la collection proposée, les élèves, par sous-groupe, réalisent à nouveau :
a) soit une proposition de tri,
b) soit une proposition de rangement,
c) ou soit une proposition de classement.
Les propositions sont affichées au tableau et les élèves les confrontent. Par la comparaison et l’échange,
les élèves dégagent ce qui fait le propre de chacune des actions.
Le professeur réalise alors une première mise en commun
« Trier » se fait sur la présence ou l’absence d’un critère (exemple : avoir des poils ou ne pas avoir de
poils, …). Cela nécessite un choix éliminatoire. Trier s’utilise dans une clé de détermination.
« Ranger » introduit une notion d’ordre : ordre alphabétique, ordre de taille, …
« Classer » consiste à regrouper un ensemble d’animaux en fonction de ce qu’ils ont en commun. Cela
peut concerner ce qu’ils possèdent (par ex. un squelette interne), ce qu’ils mangent (par ex. : carnivores),
l’endroit où ils vivent (savane, désert, …), …
Après que l’ensemble des élèves se soient mis d’accord sur ce qu’est un classement, le professeur
demande de réaliser « un classement scientifique » qui permette de mettre en évidence des liens de
parenté entre les animaux.
Questionnement possible des élèves :
-
Comment réaliser un classement scientifique ? En quoi un classement est-il scientifique ?
Quel est le lien entre « classement scientifique » et « liens de parenté entre les espèces » ?
Comment classer des êtres vivants en fonction de leurs liens de parenté? Quels caractères utiliser ?
…
Le professeur favorise à nouveau les échanges dans la classe et note au tableau les hypothèses sur le
classement scientifique et sur les liens de parenté entre les espèces.
Par exemple :
-
un classement scientifique est un classement rigoureux, basé sur des observations précises ;
…
quand on appartient à une même famille, c’est que l’on se ressemble (couleur des yeux, des
cheveux…), on pourrait donc aussi trouver des caractéristiques physiques semblables chez différentes
espèces d’animaux qui ont un lien de parenté.
Le professeur demande alors aux élèves, en groupe classe, de déterminer les caractères pertinents qui
permettront de réaliser une classification scientifique des différentes espèces d’animaux (de la forêt par
exemple) afin de mettre en évidence des ressemblances entre eux.
En classe entière, l’enseignant organise, à partir des différentes propositions de classement réalisées
précédemment, la confrontation et le débat, tant sur le plan de la méthode de travail utilisée au sein des
groupes que sur celui des résultats obtenus.
La classe peut énoncer que pour classer des êtres vivants en groupes en fonction de leurs liens de
parenté, il faut utiliser les caractéristiques anatomiques et morphologiques qu’ils possèdent (et qui
ont été transmises par leurs ancêtres) et ne pas utiliser les caractères portant sur ce qu’ils font
comme leur manière de se nourrir, sur leur mode de vie, sur leur mode de déplacement…
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Document1
La classe peut énoncer quelques règles de travail, dans le cadre « d’un classement scientifique » :
les animaux sont classés à partir de ce qu’ils ont. Il faut donc les observer attentivement et les décrire sur
le plan anatomique et morphologique (utilisation de ressources documentaires). Il faut lister chacun de leur
caractère (ou attribut), en utilisant le terme adéquat.
Le professeur précise les attributs qui seront retenus (voir annexe) et demandent aux élèves, en sousgroupe :
a) de réaliser un tableau à double entrée, reprenant d’une part les animaux de la collection et d’autres part
les caractères anatomiques et morphologiques sélectionnés ;
b) de regrouper les animaux qui partagent les mêmes caractères, c’est-à-dire de constituer des ensembles
emboités ;
(On peut procéder de deux façons : soit on cherche les attributs communs à toutes les espèces, puis
les attributs plus spécifiques à des sous-groupes de plus en plus restreints (on passe de « tout » à ses
« parties »), soit on travaille dans l’autre sens – des « parties » au « tout »).
c) d’indiquer pour chaque groupe formé le (ou les) caractère(s) qui le justifie(nt) ;
d) de faire attention qu’un même caractère ne se retrouve pas dans deux groupes distincts.
Les élèves en sous-groupe réalisent alors le tableau à double entrée et les ensembles emboités. Les
travaux sont alors présentés à l’ensemble de la classe. À partir de cette confrontation, la classe opte pour
un mode d’organisation le plus rationnel possible.
Exemple de réponse possible :
a) Réalisation d’un tableau à double entrée reprenant chaque espèce et ses caractères (à partir du tableau
de synthèse sur les attributs, voir l’annexe).
Cerf
commun
Coucou gris
Carabe
violet
Faucheux
Paon du jour
Yeux
X
X
X
X
X
Bouche
X
X
X
X
X
Squelette interne
X
X
4 membres
X
X
Mamelles
X
Poils
X
X
X
X
Plumes
Squelette externe
X
4 paires de pattes
X
Chélicères
X
3 paires de pattes
X
X
1 paire d’antennes
X
X
Elytres
X
2 paires d’ailes
colorées avec écailles
X
b) Réalisation d’une classification des espèces en les regroupant dans des ensembles emboités (par
exemple ci-dessous : formation des groupes en passant du tout à ses parties).
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Document1
Yeux, bouche
Squelette interne, 4 membres
Squelette externe
Mamelles, poils
4 paires de pattes,
chélicères
Plumes
3 paires de pattes, 1 paire
d’antennes
Elytres
s
Ailes
colorées
Le professeur peut éventuellement préciser que chaque groupe formé porte un nom reconnu par la
communauté des scientifiques.
Par exemple :
-
les métazoaires (ou les animaux) possèdent tous des yeux et une bouche ;
les vertébrés possèdent un squelette interne ;
les tétrapodes possèdent 4 membres ;
les mammifères possèdent des mamelles et des poils ;
les oiseaux possèdent des plumes ;
les hexapodes possèdent un squelette extérieur, 3 paires de pattes et des antennes ;
les arachnides possèdent 4 paires de pattes et deux chélicères ;
…
Remarque : on peut aussi utiliser des boîtes
comme ci-contre.
Une fois la classification validée, le professeur demande aux élèves de s’interroger sur l’origine de la
ressemblance entre des animaux d’espèces différentes.
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Questionnement possible des élèves :
-
Peut-on imaginer des liens de parenté comme dans une famille humaine ? Cousins ? Tante ? Oncle ?
Pourrait-on réaliser un arbre « généalogique » entre des animaux appartenant à des espèces
différentes ?
Si des animaux ont des caractères en commun, c’est qu’ils les ont hérités d’un ancêtre commun. Mais
quel est-il ? Pourrait-on classer quelques fossiles dans les groupes emboités ?
Le professeur propose par exemple les activités suivantes :
Fiche d’activité 1 :
Recherche d’éléments communs au niveau des membres antérieurs de quelques
vertébrés
Fiche d’activité 2 :
Recherche des caractéristiques de l’ancêtre commun à tous les êtres vivants
Certains élèves peuvent faire référence à des documentaires vus à la télévision (Sur la terre des dinosaures
(2013)…) et avancent que les espèces se transforment au cours de l’histoire de la Terre.
Fiche d’activité 3 :
Comparer la biodiversité actuelle et passée d’un écosystème marin
Le professeur explique que la ressemblance entre espèces différentes est le fruit de l’évolution des êtres
vivants au cours du temps, tel qu’il a été expliqué par Darwin. Depuis la publication, en 1859, de l’ouvrage
de Darwin « De l’origine des espèces », les scientifiques ont commencé à comprendre que les espèces se
transforment au cours du temps, pouvant donner naissance à de nouvelles espèces. Les espèces actuelles
dérivent d’espèces ancestrales différentes. Certaines espèces disparaissent et d’autres apparaissent. Ces
processus expliquent la diversité des espèces présentes sur Terre actuellement.
Fiche d’activité 4 :
Darwin sur les traces de l’évolution…
Le professeur invite les élèves à rechercher collectivement comment présenter, de façon plus lisible, la
classification obtenue avec les ensembles emboîtés, en n’oubliant pas que l’on cherche à montrer des liens
de parenté entre les différentes espèces.
On a parlé d’histoire, d’ancêtres et de liens de parentés. Les élèves font spontanément le lien avec un
arbre généalogique.
Mais il est important de faire constater qu’à la différence d’un arbre généalogique, les ancêtres de l’arbre
de classification ne sont pas identifiés. Quant aux espèces à classer, elles prendront place au bout des
branches car ce sont toutes des espèces qui vivent aujourd’hui.
(Les fossiles se disposeront sur des branches plus courtes)
Les ensembles emboîtés représentent un arbre de classification vu de dessus (voir à la page suivante).
Les nœuds ( ) correspondent au dernier ancêtre commun hypothétique aux êtres inclus dans l’ensemble
correspondant. Au-dessus de chaque nœud, on trouve des innovations évolutives (comme l’apparition des
plumes, des poils…).
Il est important de spécifier aux élèves que l’on n’a pas d’image complète des ancêtres communs. On peut
donc imaginer, à partir des fragments de connaissances que l’on a, ce à quoi ils auraient pu ressembler.
On les appelle des ancêtres communs hypothétiques.
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Document1
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Communication
Les arguments scientifiques prouvant l’évolution
Les êtres vivants, même s’ils sont très différents les uns des autres, partagent entre eux des caractères
communs : ils sont tous constitués de cellules.
De plus, la comparaison de quelques caractères morphologiques entre des vertébrés contemporains
appartenant à des espèces différentes permet de révéler des ressemblances anatomiques. Plus ces
ressemblances sont importantes, plus ces êtres vivants présentent des liens de parenté étroits. On peut
alors faire l’hypothèse qu’ils ont évolué à partir d’un ancêtre commun.
Au cours des temps géologiques, les espèces peuplant les différents écosystèmes terrestres ont changé
(car les milieux ont changé) : des espèces sont apparues et d’autres ont disparu. La biodiversité actuelle
est seulement une étape de l’histoire du monde vivant.
La théorie de l’évolution
Darwin, à partir de faits scientifiques, a explicité les fondements de la théorie de l’évolution : au cours de
l’histoire de la vie, de nouvelles espèces apparaissent constamment à partir de la transformation d’espèces
préexistantes.
En effet, des nouveaux caractères (anatomiques, morphologiques…) apparaissent au hasard chez l’un ou
l’autre individu d’une espèce donnée et, sous l’influence de la sélection naturelle, seuls pourront survivre
les individus dont le nouveau caractère présentera un avantage dans leur milieu naturel (pour mieux
attraper leur nourriture ou pour échapper à un prédateur).
La classification et l’arbre phylogénétique
La classification d’un ensemble d’êtres vivants appartenant à des espèces différentes (comme par exemple
l’ensemble des vertébrés) se présente sous forme de groupes emboités. Cette classification se base sur
la présence d’attributs communs aux individus considérés. Suivant la théorie de l’évolution, les attributs
caractéristiques des espèces contenues dans un groupe sont hérités d’un ancêtre commun.
En faisant ce raisonnement pour tous les groupes, on transforme la classification en arbre de parenté avec
des ancêtres communs successifs et une apparition de nouveaux caractères au cours du temps.
L’arbre de parenté devient alors un « arbre d’évolution » (ou arbre phylogénétique), dans lequel on peut
aussi y ajouter les fossiles.
Notes pour le professeur
Il est important de faire comprendre aux élèves l’idée qu’une classification répond à une question.
Suite à l’étude d’un écosystème (étang, jardin, …), on peut classer les êtres vivants en fonction de la place
qu’ils occupent dans un réseau trophique : il y a des producteurs, des consommateurs primaires, des
consommateurs secondaires, … Cette classification apporte des informations sur le milieu de vie et vise à
expliquer le fonctionnement de l’écosystème.
En ce qui concerne notre démarche d’investigation, nous recherchons à établir des liens de parenté entre
les êtres vivants qui peuplent un écosystème donné. En effet, depuis Darwin, on sait que les espèces se
transforment naturellement au cours du temps selon certains processus d’évolution qui expliquent la
diversité des espèces.
Nous devons donc réaliser une autre classification des êtres vivants afin de pouvoir répondre à la question
« qui est plus proche de qui ? ». Il s’agit donc, au travers de différentes activités centrées sur l’observation
et la description anatomique des vivants qui peuplent un écosystème donné, de choisir des critères
(appelés des attributs) pertinents. Ces attributs sont par exemple la bouche, les yeux, le squelette interne,
les poils, les mamelles… On utilise donc le principe de la « biologie comparée ». Et la théorie de l’hérédité1
(transmission des caractères héréditaires) nous permet d’avancer que les espèces portent en elles
l’héritage de leur passé. L’apparentement ne peut être retrouvé que grâce aux caractères que les espèces
partagent. On regroupe les êtres vivants en fonction des caractères (anatomiques, embryologiques,
cellulaires, moléculaires…) qu’ils ont en commun. Et les biologistes font un pari : un caractère trouvé à
l’identique chez plusieurs espèces actuelles a été légué par un ancêtre commun à ces espèces. La relation
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Document1
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de parenté qui est recherchée est d’ordre « phylogénétique » (et pas généalogique) et est représentée
sous forme d’un arbre phylogénétique. Cette classification raconte « Qui partage quoi avec qui ? » et, jointe
à la théorie de l’évolution, « Qui est plus proche de qui ? ».
En reprenant les mots de Guillaume Lecointre, il s’agit au travers d’un arbre phylogénétique, de rendre le
monde vivant plus intelligible en racontant son histoire.
Pour réaliser une classification compatible avec les classifications phylogénétiques reconnues par
l’ensemble de la communauté scientifique et pour éviter à avoir à expliquer aux élèves « certaines espècespièges » et certains caractères non pertinents du point de vue évolutif, on veillera à utiliser des « collections
d’êtres vivants » déjà préétablies ainsi que des attributs déjà présélectionnés (voir
annexe 1).
Prolongements possibles
L’arbre phylogénétique permet donc d’approcher l’idée
que l’évolution est un phénomène dynamique.
Les espèces ont une histoire évolutive qui explique leur
diversité :
-
ce que les êtres vivants ont de commun résulte
d’ancêtres communs qui vivaient il y a fort longtemps ;
ce qu’ils ont de différents résulte de la séparation des
lignées, il y a fort longtemps.
Et l’évolution continue actuellement.
L’image d’un arbre buissonnant (voir ci-contre,
illustration tirée du film « Espèces d’espèces ») offre
l’opportunité de rompre avec une image linéaire de
l’évolution et anthropocentrique de la classification
(encore trop souvent véhiculée).
Développements attendus principalement visés
Relever des ressemblances (cellulaires, moléculaires, anatomiques, …) entre êtres vivants (C1).
Pour différents êtres vivants, l’élève retrouve des caractéristiques communes au niveau cellulaire (structures
communes), au niveau moléculaire ou au niveau anatomique et fait l’hypothèse que ces caractéristiques
supposent une parenté et une origine commune pour ces êtres vivants.
Comparer l’organisation de membres antérieurs de vertébrés et décrire les caractéristiques probables du
membre antérieur de leur ancêtre commun (A1).
À partir de documents représentant l’anatomie de membres antérieurs de quelques vertébrés, l’élève
identifie les éléments communs à chacun de ces membres et réalise ensuite un schéma représentant le
membre antérieur hypothétique d’un ancêtre commun.
À partir d’une approche historique (Darwin), expliquer comment la sélection naturelle influence l’évolution
d’une espèce (C3).
L’élève explique, à partir d’exemples tirés de la théorie de Darwin, comment les conditions du milieu
environnant sélectionnent, à l’intérieur d’une espèce, les individus possédant la meilleure adaptation.
Établir les correspondances entre un tableau simple de caractères relatifs à différentes espèces et l’arbre
phylogénétique correspondant (A3).
À partir d’un logiciel ou de différents documents (un arbre phylogénétique et un tableau représentant les
attributs de différentes espèces), l’élève fait un lien entre les données du tableau et la position des
organismes au sein de l’arbre phylogénétique.
Interpréter un arbre phylogénétique (C5).
L’élève précise sur base d’un arbre phylogénétique quelles sont les espèces les plus proches ou les plus
éloignées entre elles.
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Bibliographie
-
LECOINTRE, G., Comprendre et enseigner la classification du vivant, Belin, Paris, 2008 (2de édition)
-
LECOINTRE, G., LE GUYADER, H., Classification phylogénétique du vivant, Belin, Paris, 2006 (3e
édition)
-
GAULLIER, V., VAN WAEREBEKE, D., CHAIX, R., Espèces d’espèces – Une odyssée fabuleuse aux
origines de l’Homme, film documentaire produit par Ex Nihilo, CNRS Images, NHK, France 5, le
Museum
national
d'histoire
naturelle
et
Arte
France,
2009,
visible
sur
https://www.youtube.com/watch?v=MAuA9RJ00AQ (page consultée le 15/09/2015)
Annexe
Attributs reconnus scientifiquement pour réaliser des ensembles emboîtés
Quelles particularités anatomiques doit-on
phylogénétique des animaux vertébrés ?
observer
pour
réaliser
une
classification
Quels attributs retenir pour réaliser les ensembles emboîtés ?
Quels concepts les scientifiques ont-ils associés à ces attributs ?
a) Il y a une tête, une bouche : animal (métazoaire)
b) Il a un squelette intérieur et un crâne : vertébré
1) squelette de cartilage : chondrichtyen
2) squelette d’os : ostéichtyen
a) il a ou ses ancêtres ont eu 4 membres : tétrapode
- il a des plumes : oiseau
- il a un trou en forme de triangle sur les os de la tempe : crocodilien
- il a l’os carré mobile (peut ouvrir une très grande bouche) : squamate
- il a une carapace osseuse à plastron (carapace dorsale et ventrale) et un bec
corné : chélonien (ou tortue)
- il a des poils et des mamelles, des oreilles avec pavillon extérieur : mammifère
- il a 4 doigts à la main et côtes très courtes : lissamphibien (amphibien)
b) il a des nageoires à rayons osseux : actinoptérygien (ou téléostéen)
c) Il a un squelette dans la peau (test) et des petits pieds à ventouses (pieds ambulacraires) :
échinoderme
d) Il a un squelette extérieur (peau durcie servant de squelette externe) et des pattes articulées :
arthropode
1) Il a 2 paires d’antennes et un céphalothorax : crustacé
2) Il a 3 paires de pattes et 1 paire d’antennes : hexapode (si en plus des tarses segmentés,
une paire d’antennes et des ailes membraneuses : insecte)
- 4 ailes faites d’écailles (lépidoptère)
- deux ailes et deux élytres (coléoptère)
- constriction abdominale (hyménoptère)
- 1 paire d’ailes et 1 paires de balanciers (diptère)
3) Il a une à deux paires de pattes pour chaque segment du corps : myriapode
4) Il a 4 paires de pattes et des chélicères : chélicériforme (si en plus des filières sous
l’abdomen : arachnide)
e) Il a une coquille visible ou cachée : mollusque
1) il a une coquille en 2 parties : bivalve
2) il a 1 ou 2 paires de tentacules sensoriels sur la tête et un pied porteur : gastéropode
3) il a de nombreuses tentacules de capture ou tentacules à ventouses sur la tête
(prolongement de la partie antérieure du pied) et une poche à encre : céphalopode
f) Il a un corps annelé : annélide
g) Il a des harpons urticants : cnidaire
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Petit glossaire …
Concept : Le terme concept vient du participe passé latin conceptus du verbe concipere, qui signifie
« contenir entièrement », « former en soi ». Un concept est souvent une idée générale (le
concept de chien rassemble tous les chiens existants et possibles).
Métazoaires (animaux) : sont des organismes eucaryotes pluricellulaires mobiles et hétérotrophes.
Membres : ailes des vertébrés, pattes, bras, jambes
Poils : sourcils, moustaches, vibrisses, cheveux
Céphalothorax : partie antérieure du corps de certains arthropodes (crustacés, araignées, …) résultant de
la réunion, au cours de l'évolution, des deux parties antérieures, la tête et le thorax.
Elytres : un élytre est l'une des deux ailes antérieures, durcies et cornées, qui recouvrent au repos les
ailes postérieures de certains insectes, notamment ceux de l'ordre des coléoptères, à la façon
d'un étui.
Durant le vol, les élytres ne battent pas ; ils sont simplement relevés pour permettre le mouvement
des ailes postérieures et donner plus d'équilibre. Au repos, elles protègent principalement les
ailes mais peuvent servir de défense, soit à l'aide de couleurs vives qui effraient leurs prédateurs
soit en adoptant les tons de l'habitat naturel de l'insecte, servant ainsi de camouflage.
Dans certains groupes, les élytres ont fusionné, ce qui rend l'insecte incapable de voler : par
exemple, les carabes.
Mandibules : sont des pièces buccales de certains arthropodes. Les arthropodes possédant des
mandibules forment le sous embranchement des mandibulates.
Ce sont les mandibules qui sont si proéminentes chez les mâles du lucane cerf-volant.
Constriction abdominale : « taille de guêpe » chez les insectes
Balanciers : Comme leur nom l'indique, les diptères ne possèdent qu'une seule paire d'ailes. Les ailes
postérieures sont réduites à des bâtonnets appelés balanciers ou encore haltères, qui, pour
certains naturalistes, assurent la stabilité du vol (mouches, moustiques, …).
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