Le choix du rare chez les Guppys Un exemple de construction d’un modèle algorithmique de sélection sexuelle avec le logicel Edu’modèles

La notion de sélection naturelle a déjà été abordée par les élèves au cours du cycle 4, parfois de manière approfondie à travers les exemples de la phalène du bouleau ou des éléphants sans défense. La sélection sexuelle permet de revenir sur cette notion sans risque de faire travailler les élèves sur des cas qu’ils ont déjà étudiés.
L’exemple de la sélection sexuelle chez les guppys, où les femelles choisissent de s’accoupler avec les mâles dont la coloration est la plus rare dans leur population, permet d’aborder cette notion avec un regard original et plutôt amusant pour les élèves (ne vous étonnez pas des analogies que feront certains avec notre espèce… ;-D).
Cette activité a aussi pour but de faire comprendre aux élèves ce qu’est un modèle (numérique en l’occurrence) et comment il se construit, en leur proposant de mettre eux-mêmes au point un modèle algorithmique. Cela s’inscrit donc dans les attentes du programme de seconde 2019 qui promeut l’algorithmique et la modélisation.
La pédagogie différenciée qui est proposée ici, reprend celle d’Anne Florimond dans son article sur la modélisation numérique de la sélection sexuelle du rhinolophe de Mehely. Je vous invite donc à le lire avant de poursuivre.

LIAISON AVEC LE PROGRAMME

Niveau concerné : seconde
Partie du programme : Dans le sous-thème « Biodiversité, résultat et étape de l’évolution » du thème 1 : « La Terre, la vie et l’organisation du vivant ».

PLACE DANS LA PROGRESSION

Après avoir révisé la notion de sélection naturelle abordée au collège.
Pendant ou après l’étude des modes de communication intra-spécifique.

NOTIONS

Extraits du Bulletin officiel spécial n°1 du 22 janvier 2019
« Dans le monde animal, la communication interindividuelle et les comportements induits peuvent contribuer à la sélection naturelle à travers la reproduction. C’est le cas pour la sélection sexuelle entre partenaires. »

SAVOIR-FAIRE ET COMPETENCES

  • Sélectionner des informations à partir du réel ou de documents scientifiques.
  • Valider une hypothèse.
  • Travailler en équipe.
  • Concevoir ou modifier un modèle numérique simple.
  • Exprimer à l’écrit les résultats d’une recherche.
  • Communiquer en utilisant le numérique.

ACTIVITE

Durée  : 2h10 environ
Coût  : 0 euros
Sécurité  : RAS

DEROULEMENT DE LA SEQUENCE (CLASSE INVERSEE)

Avant la séance (à la maison pour une classe inversée, mais faisable aussi en classe) :
Réalisation d’un encart de mémorisation bilan à partir du visionnage d’une vidéo (CNRS, autres…) et/ou lecture du cours du manuel sur la sélection naturelle

Pendant la séance :

Séance 1 : (35 min)
- Correction de l’encart de mémorisation et retour rapide sur les notions essentielles avec réponse aux questions des élèves (15 min)
- QCM interactif (type QCMcam) de vérification de la bonne compréhension des notions (5 min)
- Présentation de la sélection sexuelle à travers le cas d’étude et de l’hypothèse à tester, découverte du logiciel Edu’modèles et des parcours élèves (15 min)

Séance 2 : (1h25)
- Construction du modèle algorithmique et tests
- Communication numérique des résultats (diaporama ou fichier texte partagé sur Padlet ou ENT)

Après la séance (début de la séance 3) : (10 min)
- Retour sur les principales difficultés rencontrées par les élèves
- Critique du modèle et discussion sur les améliorations possibles

MISE EN SITUTATION ET CONSIGNE DONNEES AUX ELEVES

Le guppy ou Poecilia reticulata est un poisson originaire d’Amérique du sud. Les mâles ont généralement des corps colorés ainsi que des nageoires caudales relativement grandes, très colorées et tachetées, contrairement aux femelles très peu colorées. Cette coloration, très différente d’un individu mâle à l’autre au sein d’une même population, est déterminée par quelques gènes seulement, mais présentant de nombreux allèles. De plus, elle n’est pas avantageuse pour les mâles les plus colorés (ou avec des motifs différents) qui se font plus facilement repérer par les prédateurs.
Comment se fait-il alors que cette diversité de couleurs vives observées (et donc d’allèles) se maintienne dans le temps au sein des populations de guppys ?
Pour expliquer cette observation, les scientifiques ont émis l’hypothèse de « l’avantage du rare ». Si les mâles qui possèdent des couleurs rares sont préférés par les femelles, alors ils se reproduisent plus que les autres et la fréquence de leurs allèles va augmenter dans la population, ce qui fait baisser la fréquence des allèles donnant les couleurs jusqu’ici fréquentes, qui vont donc devenir rares… et le phénomène se répéterait pour ces autres allèles ! Les allèles rares, bien que défavorables vis-à-vis de la prédation, sont ainsi maintenus dans la population grâce à l’avantage du rare pour la reproduction et ne disparaissent donc pas.

Testez la validité de cette hypothèse en modélisant le devenir d’une population de guppys aux mâles bleus ayant vu apparaître préalablement UN mâle portant une nouvelle coloration (mâle orange).

OUTILS NUMERIQUES ET RESSOURCES POUR LES ELEVES

  • Logiciel Edu’modèles, modèle algorithmique (multi-agents), niveau novice
    https://www.pedagogie.ac-nice.fr/svt/productions/edumodeles/algo/index.htm
    (on peut aussi créer un raccourci vers le logiciel en ligne à mettre sur l’ordinateur ou le réseau pour éviter de taper l’adresse)
  • Mise en situation, présentation de la reproduction des guppys et le choix du rare et consignes
  • Indications sur l’utilisation d’Edu’modèles et les différents scénarios
  • Images pour représenter les entités du modèle :
    Comme pour le modèle du rhinolophe d’Anne Florimond, fournir des images permet aux élèves créant leur propre modèle, de mieux se l’approprier tout en évitant de perdre du temps dans la recherche d’images libres de droits.
    - Dessin pour le poisson guppy mâle bleu

    - Dessin pour le poisson guppy mâle orange

    - Dessin pour le poisson guppy femelle

    - Dessin pour le poisson prédateur des guppys

LA CONSTRUCTION DE L’ALGORITHME

Les différents scénarios proposés au choix (différenciation pédagogique) :

  • Scénario 1 pour les experts de l’algorithmique :

Vous avez toute liberté pour construire votre propre modèle.
Seules les images représentant les 4 agents utiles vous sont fournies : poisson femelle, poisson mâle bleu, poisson mâle orange et poisson prédateur.
Indications concernant les agents : on choisira une probabilité de déplacement de 100 % et une demi-vie de 1000 pour les guppys ; une probabilité de déplacement de 50 % et une demi-vie infinie pour les prédateurs.

  • Scénario 2 pour les apprentis de l’algorithmique :

Vous disposez d’un modèle imparfait (Modele_imparfait_Guppy.modele).
Modifiez l’algorithme de ce modèle pour qu’il s’accorde d’une part avec les données scientifiques et d’autre part avec l’hypothèse testée.

  • Scénario 3 pour les néophytes de l’algorithmique :

Vous disposez de deux modèles différents (Modele_A_Guppy.modele et Modele_B_Guppy.modele).
Comparez les algorithmes des deux modèles afin de repérer celui qui adhère le mieux aux données scientifiques et à l’hypothèse testée. Vérifiez ce choix en faisant tourner chaque modèle et en observant l’évolution des effectifs de guppys.

Modèle A :

Modèle B :

Les aides données aux élèves sur l’utilisation du logiciel Edu’modèles :

  • Edu’Modèles permet de faire la modélisation algorithmique, c’est-à-dire que les modèles sont basés sur des algorithmes simples utilisant des agents (entités) qui interagissent grâce à des règles (comportements).
  • Chaque agent est défini par sa mobilité (avec une probabilité de déplacement exprimée en pourcents) et sa demi-vie (durée au bout de laquelle la moitié de la population de cet agent a disparu par mort naturelle).
  • Une règle de comportement s’écrit comme une réaction chimique : les « agents réactifs » réagissant entre eux à gauche et les « agents produits » à droite issus de la réaction, réaction ayant lieu avec une probabilité exprimée en pourcents.
  • Pour éviter l’encombrement rapide de l’environnement par de trop nombreux agents, on évite de donner une probabilité trop forte à un comportement de reproduction (éviter les valeurs supérieures à 3 %).
  • On choisira comme effectifs initiaux 50 guppys femelles et 50 guppys mâles, ainsi que 2 poissons prédateurs.
  • Laisser un écoulement de temps suffisamment long pour simuler plusieurs générations.
  • Ne pas hésiter à répéter les simulations lors du test d’un modèle pour s’assurer de sa validité.
  • Vous pouvez exporter un résumé du modèle en cliquant sur Exporter un résumé.

EXPLICATIONS A L’INTENTION DES COLLEGUES AUTOUR DES DIFFERENTS ATELIERS

  • Scénario 1 pour les experts de l’algorithmique : construction intégrale du modèle

Quelques indications sont fournies sur la valeur de certains paramètres afin de ne pas perdre trop de temps « à tâtonner » dans la recherche des bonnes valeurs pour avoir un modèle qui tourne. Mais les élèves doivent créer tous les agents (les guppys femelles, les mâles bleus et orange ainsi que les poissons prédateurs) et toutes les règles de comportements (reproduction et prédation pour chaque entité) et leur assigner des valeurs cohérentes vis-à-vis des informations scientifiques apportées dans la présentation du cas d’étude.

  • Scénario 2 pour les apprentis de l’algorithmique : amélioration d’un modèle préexistant

Dans ce scenario, les élèves doivent identifier les valeurs qui ne sont pas cohérentes vis-à-vis des informations scientifiques apportées dans la présentation du cas d’étude : la probabilité de reproduction des mâles orange est la même que celle des mâles bleus ainsi que la probabilité de la prédation des deux mâles. Il faut donc augmenter les probabilités de reproduction et de prédation des mâles orange.

  • Scénario 3 pour les néophytes de l’algorithmique : choix du meilleur modèle entre deux proposés

Modèle A :
On observe dans ce modèle que l’avantage du rare donné aux mâles orange est bien présent, tout comme leur désavantage vis-à-vis de la prédation.

Modèle B :
On observe dans ce modèle un désavantage des mâles orange vis-à-vis de la prédation mais par contre aucun avantage en ce qui concerne leur reproduction.

QUELQUES PRODUCTIONS D’ELEVES

J’ai choisi de faire réaliser aux élèves un petit diaporama présentant leur modèle et leurs résultats.
On peut partager les productions des groupes sur un mur collaboratif (type Padlet) ou sur un ENT, ou simplement les récupérer sur clé USB.

Un exemple de production d’élèves ayant choisi le scénario 1 :

Un exemple de production d’élèves ayant choisi le scénario 2 :

Un exemple de production d’élèves ayant choisi le scénario 3 :

ANALYSE DU DISPOSITIF

  • Plus-values de l’activité :
    -  En rentrant dans le cœur d’un modèle numérique, ce travail permet aux élèves de mieux appréhender la notion de modèle et l’intérêt de modéliser des phénomènes complexes (nombre de variables, durée d’expérience, espace…).
    -  Un travail critique sur la modélisation est ensuite grandement facilité : beaucoup de groupes ont très vite compris la limite majeure de ce modèle : l’effectif de mâles orange devient majoritaire, ce qui devrait alors favoriser les mâles bleus tout en les rendant à leur tour plus sujet à la prédation, mais les paramètres étant fixes, ce n’est pas le cas (ou alors il faut les remodifier à la main dans le modèle). On peut aussi citer comme limite la non reproduction des prédateurs par exemple.
    -  Le choix du scénario par les élèves permet de lever les appréhensions de ceux pour qui l’algorithmique n’est pas chose aisée.
  • Difficultés rencontrées :
    -  La compréhension de la « mise en équation » de l’algorithme dans le logiciel est un peu difficile au début pour certains (surtout ceux qui ne lisent pas les documents fournis !), mais la simplicité de l’interface permet assez rapidement de lever cette difficulté.
    -  Le choix des valeurs par les élèves peut donner lieu à des simulations très étonnantes voire décevantes au début, ce qui nécessite parfois de nombreux essais jusqu’à obtenir un modèle satisfaisant. Cela peut être décourageant pour certains et des « vérifications coups de pouce » peuvent être nécessaire.
    - La durée de l’activité peut être variable d’un groupe à l’autre, car les élèves qui choisissent le scenario pour les néophytes et qui comprennent vite ont terminé leur travail plus rapidement. Il faut donc prévoir un travail facultatif pour ces derniers (cela peut être une amélioration du modèle comme par exemple mettre en place une règle de reproduction des prédateurs associée à une modification de leur demi-vie).
  • Pistes d’améliorations :
    -  On peut modifier plus ou moins de paramètres dans les modèles imparfaits et A/B, voire laisser les élèves compléter les entités et/ou règles préalablement supprimées des modèles proposés.
    -  Une présentation orale du modèle appuyée sur des simulations « live » peut être envisagée (en vue du grand oral).

ARTICLE SCIENTIFIQUE FONDATEUR

Mating advantage for rare males in wild guppy populations
Hughes, K., Houde, A., Price, A. et al. Nature 503, 108-110 (2013)
https://doi.org/10.1038/nature12717

REMERCIEMENTS

A mes collègues du lycée Richelieu de Rueil Malmaison :
- Anne Florimond pour son article présentant la pédagogie différenciée sur le Rhinolophe et sa formation sur la modélisation.
- Sophie Doré et Arnaud Mamique pour leur relecture et leurs remarques lors de la conception de cette activité.

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