Redécouverte des lois de l'hybridatlon

Utilisation du programme MENDEL
dans le cadre du cours de Génétique
 

Le programme MENDEL est un logiciel de simulation caractéristique de la démarche suivie par le groupe « Informatique et Sciences Naturelles » de l'INRP. Il a été conçu et écrit en LSE au début de la décennie 1970. L'article ci-dessous est extrait du dossier préparatoire des journées APBG de Toulouse (juillet 1979). Il est paru dans le Bulletin APBG numéro 4 de 1978, pages 929 à 942.

(Nous avons déjà publié l'avant-propos de Wladimir Mercouroff et l'introduction de Jacques Baudé, pour ce dossier paru dans les numéros 3 et 4 de 1978, ainsi que le sommaire : https://www.epi.asso.fr/tic/78apbg.htm)

   Il s'agit en fait de 2 programmes utilisables séparément. La description détaillée de ces programmes se trouve dans le numéro 8-9 du Bulletin de liaison Informatique et Enseignement secondaire et dans la fiche pédagogique SN-11 pour la dernière version. Ces documents sont disponibles dans tous les lycées équipés et à l'INRP.

   Nous ne ferons ici qu'une description sommaire en insistant surtout sur les objectifs que nous essayons d'atteindre et les conditions d'utilisation du programme.

   Le programme MENDEL est l'œuvre collective du groupe « Informatique et Sciences Naturelles » de Paris.

   Il est présenté ici par Jacques Baudé.

1. Objectifs

   Nous avons voulu mettre l'élève en situation de redécouverte en utilisant les possibilités de simulation de l'ordinateur.

   Plus précisément, les objectifs poursuivis peuvent s'énumérer ainsi :

• Compréhension d'un livret où quelques notions préliminaires indispensables sont proposées ;

• Choix des expériences et des conditions exactes dans lesquelles elles seront effectuées [initiative] ;

• Mise au point d'une stratégie expérimentale [utilisation des croisements en retour à bon escient, reprise d'expériences en modifiant les conditions ou non...] ;

• Comparaison des résultats des différentes expériences et synthèse conduisant à retrouver les lois de l'hybridation ;

• Au cours de ce travail qui fait appel à la discussion entre les groupes et avec le professeur, l'élève prend conscience de la dimension statistique de la génétique et de la nécessité du travail en équipe ;

• Réalisation d'un compte rendu clairement rédigé où figurent les résultats expérimentaux et les conclusions qui se sont dégagées après discussion collective et apport éventuel du professeur : apport variable selon les classes [acquisition de connaissances] :

• En utilisant la deuxième partie du programme, les élèves pourront vérifier eux-mêmes leur bonne compréhension des lois de Mendel.

2. Présentation du programme

2.1. Le programme MENDEL proprement dit [MEND 1 à 3 + DP].

   Ce programme est autonome mais peut aussi être utilisé comme complément à des expériences réelles effectuées en travaux pratiques. Il semble d'ailleurs qu'il soit souhaitable d'effectuer d'abord une expérimentation réelle [Maïs, Drosophiles...]. L'ordinateur permettra ensuite de fournir des résultats nombreux et variés sur des effectifs importants et sur différentes espèces, permettant une généralisation beaucoup plus légitime.

   Les expériences classiques conduisant à la redécouverte des 3 premières lois de l'hybridation sont possibles. Les expériences de linkage et de crossing-over pourraient faire l'objet d'un autre programme.

   Expliquons rapidement la façon dont se déroule le programme :

• Suivant le fichier introduit les élèves pourront travailler :

• soit sur le monohybridisme,
• soit sur le dihybridisme.
• soit sur le polyhybridisme :

• Dans les trois cas, l'élève doit indiquer :

• le numéro de l'expérience,
• le[s] caractère[s] chez le parent mâle afin qu'il vérifie l'indépendance par rapport au sexe.
• À chaque génération F1 et F2 le nombre de descendants qu'il veut obtenir, ceci pour l'amener à travailler sur des effectifs significatifs et donner des résultats bruts. À chaque fois le programme calcule les effectifs théoriques et les affecte d'une variation aléatoire fixe (+ ou –5]. En général, le total sera différent de l'effectif souhaité. Si l'effectif est insuffisant, les résultats lui sont fournis mais précédés d'un message lui indiquant que ceux-ci risquent de ne pas être significatifs. Si les élèves persistent dans cette erreur ils sont arrêtés après 4 effectifs insuffisants et dirigés vers leur professeur [on a en effet constaté que certains s'obstinaient et arrivaient à des conclusions fausses]. Notons que, dans ce cas, cela « retarde » également le moment où on lui proposera d'effectuer des croisements en « retour ». Lorsque est offerte la possibilité d'effectuer des croisements entre sujets de F2 et sujets de race pure. le programme marque une « PAUSE » pour que les élèves réfléchissent aux premiers résultats obtenus et puissent valablement utiliser les résultats de ces nouvelles simulations d'expériences.

Remarque importante :
   En utilisant le module RESEL et en indiquant les numéros des consoles utilisées, le professeur pourra obtenir en fin de travail le listage d'un certain nombre de renseignements sur le travail des équipes : expériences choisies, caractères attribués aux parents mâles, effectifs choisis en F1 et F2, etc.

2.2. Extension du programme [MEND4 et MEND 5]

   Ces 2 modules, d'utilisation facultative, ont été écrits dans un double but :

1. Permettre aux élèves en reprenant une expérience faite en simulation ou en travaux pratiques :

• de vérifier par eux-mêmes la bonne compréhension des lois de Mendel en donnant les proportions théoriques d'obtention d'un phénotype donné :
• d'avoir la liste des génotypes (dans une formulation génétiquement correcte) qui donnent le phénotype considéré.

2. Laisser la possibilité aux élèves intéressés de simuler leur propre expérience et de définir les génotypes des géniteurs. Là aussi, ce peut être éventuellement une expérience réalisée en TP (voir plus loin où les auteurs se sont quelque peu divertis !) ; on voit donc que cette partie du programme est très libre. Nous n'avons pas jugé utile, à ce niveau, de garer en fichier le travail effectué par les élèves.

   Notez qu'au cas où l'élève définit sa propre expérience il est en fait branché sur le module CFPM (en ligne 30). Il y aura peut être lieu de bien lui indiquer la façon dont il doit donner les réponses.

3. Utilisation du programme

   Le professeur, en utilisant un programme spécial [CFPM] et sans aucune connaissance particulière en informatique, pourra entrer les expériences de son choix. Les élèves peuvent d'ailleurs faire de même au niveau de l'utilisation de MEND 4-5. Le programme est néanmoins fourni par l'INRP avec 2 fichiers préparés : l'un pour le monohybridisme, l'autre pour le dihybridisme.

   Consulter le responsable du laboratoire informatique et la fiche pédagogique SN 11.

3.1. Utilisation du programme MENDEL sensu-stricto (MEND 1 à 3 + DP)

   Ce programme, utilisable en Premières A et B, est tout spécialement adapté au niveau des élèves de Terminales C et D.

   Il faut prévoir deux séances de trois heures, la première consacrée à des expériences de monohybridisme, la seconde à des expériences de dihybridisme (une semaine plus tard). Les élèves doivent avoir acquis au préalable les notions générales sur la reproduction des êtres vivants [cellules reproductrices, méiose, etc.]. L'uti1isation du programme ne nécessite aucune connaissance en informatique, autre que l'utilisation du clavier [prévoir éventuellement un petit jeu pour familiariser les élèves avec le clavier].

   Avant la première séance, il semble souhaitable, pour concrétiser le travail en simulation, d'effectuer une expérimentation (sur des grains de maïs ou des drosophiles par exemple), expérience dont on n'interprétera pas les résultats immédiatement.

   Avant le passage sur machine. les élèves lisent la partie du « livret de l'élève›› correspondante (ou on leur donnera oralement les explications nécessaires).

* Déroulement de la séance sur le monohybridisme [temps donné à titre indicatif] :

• Présentation : 1/2 heure ;
• 1^er travail sur machine : simulation d'expériences sans croisement en retour : 3/4 d'heure ;
• Réflexion en groupe (2 équipes) pendant 15 à 30 minutes [points a à f du guide de réflexion] ;
• 2^e travail sur consoles avec croisements en retour cette fois : 1/2 heure ;
• Réflexion en groupe [totalité du groupe de réflexion] 1/2 heure ;
• Discussion collective : 1/2 heure.

* La séance sur le dihybridisme peut se dérouler sur le même schéma. On pourra cependant diminuer les temps indiqués ci-dessus.

   Le guide de réflexion donné dans le livret de l'élève n'est pas impératif. Il semble cependant indispensable d'aider les élèves à analyser les résultats qu'ils ont obtenus afin qu'ils puissent appréhender le « modèle des lois de Mendel ». Nous conseillons par contre vivement aux professeurs de distribuer aux élèves des tableaux polycopiés du type de celui fourni dans le livret de l'élève pour qu'ils transcrivent proprement les résultats des expériences simulées.

   On pourra ultérieurement pour les élèves intéressés effectuer une simulation d'expérience de polyhybridisme.

3.2. Utilisation des modules MEND 4 et 5

   L'utilisation de cette partie du programme est très libre. Voici quelques suggestions :

• Si on dispose de temps à la fin de la séance sur le dihybridisme, inviter les élèves à reprendre avec cette partie du programme une expérience déjà simulée et à faire l'étude de tous les phénotypes obtenus en deuxième génération. Ceci doit permettre la vérification par les élèves de leur acquis et l'entraînement à l'écriture des génotypes ;

• Consacrer une troisième séance à cette partie du programme ;

• Se servir de ces modules pour vérifier la bonne compréhension de notions acquises par la méthode classique (MENDEL ss n'ayant pas été utilisé) ;

• Utilisation en « self-service » pendant des séances de libre accès à l'ordinateur. L'enseignant signalant l'existence de ces modules et la façon dont on peut les utiliser (en polycopiant par exemple un extrait de la fiche pédagogique SN 11).

• Etc.

   Chacun pourra faire son choix.

4. Avantages offerts par l'ordinateur

   Le programme MENDEL tend à développer l'esprit d'initiative de l'élève. Il a le choix de l'expérience à entreprendre, le choix d'attribuer le caractère étudié à l'un ou l'autre des parents, le choix du nombre de descendants, la possibilité de faire ou non une expérience de back-cross, la liberté d'interrompre son travail sur l'ordinateur pour passer à une phase de réflexion, le droit de reprendre les expériences simulées s'il considère que les résultats obtenus sont insuffisants pour atteindre l'objectif recherché, etc.

   L'élève se trouve ainsi devant des résultats expérimentaux obtenus en jouant sur différents paramètres, il est conduit par un effort de raisonnement logique à tirer des conclusions ou à émettre de nouvelles hypothèses qui lui imposent de nouvelles expériences.

   Libéré des contraintes expérimentales, disposant de données numériques en nombre suffisant, l'élève peut consacrer l'essentiel de son activité à tout ce qui est aussi l'activité du chercheur : choix des expériences en fonction des hypothèses formulées, interprétation des résultats expérimentaux, retour éventuel aux expériences, recherche des lois explicatives...

   Ceci dit, il reste bien entendu que nous sommes, en tant que naturalistes, fondamentalement attachés à l'expérience réelle toutes les fois qu'elle est possible.

   Ce serait nous faire un procès d'intention que de prétendre que nous puissions dire autre chose.

 
ANNEXE

Livret de l'élève

1. Objectif du travail

L'exercice que nous vous proposons a pour but, outre la possibilité d'acquérir des connaissances nouvelles, de vous entraîner au raisonnement logique et rigoureux de l'expérimentation.

En effet, le programme que nous avons écrit et mis sur ordinateur vous place dans la situation exacte de celui qui essaye de comprendre et d'expliquer un phénomène biologique par l'interprétation des faits d'observation et de faits expérimentaux.

Il vous appartient de choisir les expériences et les conditions exactes dans lesquelles vous les effectueriez.

La machine calcule les résultats de ces expériences en quelques minutes alors que des années seraient nécessaires à leur réalisation effective.

En utilisant les résultats de vos « expériences », et guidé par le travail de réflexion proposé à la fin de chaque partie, vous essayerez de redécouvrir les lois de la transmission des caractères héréditaires, lois découvertes par Mendel en 1885 et appelées pour cette raison « lois de Mendel ».

2. Notes préliminaires

Des sujets sont dits de « race pure ›› pour un ou plusieurs caractères lorsque croisés entre eux toute leur descendance possède le ou les caractères considérés et ainsi de suite de génération en génération.

Par exemple, des souris grises de race pure, croisées entre elles, ne donnent que des descendants au poil gris.

On appelle hybridation ou hybridisme, le croisement entre deux sujets de race pure, mais différents par un ou plusieurs caractères. Les sujets issus d'une hybridation sont des hybrides.

Il faut bien comprendre qu'un caractère peut présenter plusieurs aspects ou types :

• Le type de l'un des parents de race pure ;
• Le type de l'autre parent de race pure ;
• Un type intermédiaire (qui n'est celui d'aucun des parents de race pure).

Chez la souris la couleur du poil [le caractère] peut être grise ou blanche [deux aspects ou types].

Dans ces expériences de croisement, nous noterons :

• P, la génération des parents de races pures différentes ;
• F1, la génération des hybrides issus du croisement entre races pures différentes de la génération P,
• F2. la génération issue du croisement de 2 hybrides de la génération F1.

3. Expériences de Monohybridisme

Ces expériences de croisement s'intéressent à la transmission d'un seul caractère.

Le programme vous propose le choix entre plusieurs expériences de croisements. Vous pouvez simuler les expériences que vous voulez, dans l'ordre que vous souhaitez, en effectuer autant qu'il vous paraîtra nécessaire pour atteindre l'objectif fixé dans le paragraphe 1. Vous devez également choisir le caractère présent chez le parent mâle, et indiquer à chaque génération le nombre de descendants que vous souhaitez. [Autrement dit, si vous faisiez l'expérience, combien de descendants, essayeriez-vous obtenir ?]

Les résultats d'expériences vous sont donnés sous forme d'effectifs. Pensez à les traduire en pourcentages ou proportions de l'effectif total.

Remarques pratiques : Si votre réponse à une question donnée est inexacte vous verrez apparaître le signe $. Redonnez alors votre réponse en corrigeant votre erreur.

- Sur la console tapez :
AP (x) l'ordinateur complète → APpeler MEND1
EX (x) l'ordinateur complète → EXecuter a partir de 1

4 Travail de réflexion proposé après les expériences de Monohybridisme

1. Relevez vos résultats et notez les proportions de chaque type pour les expériences que vous avez simulées (utiliser de préférence le tableau proposé).

2. Parmi les expériences simulées, notez celles qui montrent qu'un type de caractère « domine » l'autre (on dira alors que le type est dominant).

3. Noter les expériences où il n'y a pas de dominance. Sur quoi basez-vous vos conclusions ?

4. Tirez maintenant des conclusions générales concernant les caractéristiques des sujets de la génération F1.

5. Regardez attentivement maintenant l'ensemble des résultats en F1 et F2. Les croisements entre sujets de F1 donnent-ils des descendants tous de même type ?

6. Comparez les proportions calculées, pour toutes les expériences.

7. Avez-vous effectué la même expérience en intervertissant les caractères présents chez le parent mâle et le parent femelle ? Conclusions.

8. Les croisements entre sujets d'un type donné de F2 et des sujets de race pure donnent-ils dans tous les cas des descendants tous de même type ? (Refaites éventuellement les expériences nécessaires pour répondre à ces questions).

9. Il existe, dans les cellules reproductrices [gamètes], des facteurs [ou gènes] responsables de la transmission héréditaires des caractères. Quels sont d'après vous les facteurs héréditaires [ou gènes] présents ?

• chez chacun des parents,
• dans les gamètes de chacun des parents,
• chez les sujets de F1,
• dans les gamètes des sujets de F 1,
• chez les différents sujets de F2,
• dans les gamètes de ces sujets de F2.

10. Les hypothèses que vous venez de formuler permettent-elles d'expliquer les résultats obtenus ?

11. Pouvez-vous concevoir une expérience de croisement avec les sujets de F2 permettant dans tous les cas de déterminer les gènes présents chez ces sujets.

ou

En vous aidant des résultats obtenus dans les croisements des sujets de F2 avec des sujets de race pure, pouvez-vous concevoir une expérience qui, dans tous les cas, permet de déterminer si un sujet est de race pure ou hybride.
 

NDLR-EPI : les articles sur la simulation dans l'enseignement des différentes disciplines sont très nombreux sur le site de l'EPI, impossible de les citer tous. Demander à son moteur de recherche habituel : site :epi.asso.fr simulation.

MENDEL est un précurseur conçu et réalisé dès le début de la décennie 1970.

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