Modéliser l’évolution des résistances en lien avec les pratiques humaines

à l’aide du logiciel Edu’Modèles

Evolution cycle 4 Prévention 1ère_Spécialité_Écosystèmes et services environnementaux terminale

lundi 10 novembre 2025 , par Olivier License

Le préambule du programme de l’enseignement scientifique stipule explicitement que « Le traitement des thèmes figurant au programme permet de présenter des méthodes, modèles et outils mathématiques utilisés pour décrire et expliquer la réalité complexe du monde, mais aussi pour prédire ses évolutions ». Pour cela, « des outils numériques variés trouvent des applications dans le cadre de l’enseignement scientifique : logiciels de calcul ou de simulation, environnements de programmation, logiciels tableurs, etc. » Les outils de modélisation et de simulation ont donc toute leur place dans cet enseignement et sont un atout pour permettre aux élèves d’aborder de manière concrète des notions parfois complexes et difficiles à appréhender dans une salle de classe, tout en leur présentant des outils et des méthodes qui les aideront à mieux appréhender le travail des scientifiques.

 Professeur

Olivier LICENSE, lycée Richelieu, Rueil Malmaison (92)

 Caractéristiques de la séance

LIAISON AVEC LE PROGRAMME
Niveaux concernés Terminale Enseignement Scientifique
Partie du programme Dans le sous-thème « 3.2 – L’évolution comme grille de lecture du monde » du thème 3 : « Une histoire du vivant ».
Les concepts de variation et de sélection naturelle éclairent des pratiques humaines (médicales et agricoles) et certaines de leurs conséquences.
PLACE DANS LA PROGRESSION
Cette séance termine le chapitre, après avoir étudié plusieurs structures anatomiques humaines dans une visée évolutionniste.
Le chapitre 3.1 sur La biodiversité et son évolution a aussi été traité préalablement, de sorte que les élèves sont déjà familiers du logiciel Edu’Modèles (voir l’article L’effet de la fragmentation de l’habitat sur le crapaud commun).
MISE EN SITUATION
Les concepts de la biologie évolutive nous ont permis de mieux comprendre l’origine des caractéristiques de plusieurs structures anatomiques humaines. Ils peuvent aussi nous permettre de comprendre certains phénomènes biologiques importants pour nos sociétés humaines, comme par exemple en médecine, où l’évolution rapide des organismes microbiens nécessite d’adapter nos stratégies d’utilisation des antibiotiques. C’est aussi le cas dans l’agriculture, où nos pratiques agricoles ont un effet sur la biodiversité et son évolution.
OBJECTIF

À l’aide d’une modélisation numérique, on cherche à montrer à travers un seul des 2 exemples suivant :

  • soit qu’un usage excessif d’antibiotique est responsable du développement de souches de bactéries très résistantes ;
  • soit qu’une utilisation d’insecticide sans zone refuge est responsable de la prolifération des chenilles résistantes.
PRODUCTION ATTENDUE
Un fichier numérique répondant au problème, illustré de captures d’écran et des données numériques obtenues avec leur analyse et la critique de vos résultats.
NOTIONS, SAVOIR-FAIRE, COMPÉTENCES
Notions
  • Extrait du programme de Terminale Enseignement Scientifique (Bulletin officiel n°25 du 22 juin 2023) :
    « Les concepts de variation et de sélection naturelle éclairent des pratiques humaines (médicales et agricoles) et certaines de leurs conséquences.
    L’évolution permet de comprendre des phénomènes biologiques ayant une importance médicale. L’évolution rapide des organismes microbiens nécessite d’adapter les stratégies prophylactiques, les vaccins et les antibiotiques.
    L’évolution des pratiques agricoles a un effet sur la biodiversité et son évolution. »
Savoir-faire
  • Mobiliser des concepts évolutionnistes pour expliquer l’évolution de populations d’êtres vivants.
  • Utiliser un modèle numérique pour réaliser différentes simulations.
  • Tester l’effet d’un paramètre.
  • Traiter et analyser des données numériques.
Compétences transversales
  • Exprimer à l’écrit les résultats d’une recherche.
  • Communiquer en utilisant le numérique.
  • Comprendre les responsabilités collectives sur l’environnement.
Cadre de référence des compétences numériques (CRCN)
  • Adapter les documents à leur finalité
  • Développer des documents textuels
  • Évoluer dans un environnement numérique
  • Traiter des données
  • Protéger la santé, le bien-être et l’environnement

 Déroulement de la séance

ACTIVITÉ
Durée  : une séance de 55 min Coût  : 0 euros Sécurité : RAS
OUTILS NUMÉRIQUES ET RESSOURCES
Logiciel Edu’modèles Modèle algorithmique (multi-agents), niveau expert
Fiche technique Edu’Modèles
Fiche élève
Fichier maïs_chenille_insecticide_premodele.modele
Fichier bacterie_antibiotique_premodele.modele
Vidéo « The Evolution of Bacteria on a "Mega-Plate" Petri Dish » Lien vidéo
Documents « Ressources »
DÉMARCHE A SUIVRE POUR LA MODÉLISATION DE L’EFFET DES ANTIBIOTIQUES SUR L’ÉVOLUTION BACTÉRIENNE
1- Commencez par regarder la vidéo de l’expérience.
2- Après avoir fait tourner le modèle une première fois sans modification particulière, identifiez le paramètre à modifier dans la règle de division des bactéries sensibles.
3- À l’aide du document 2 p. 240 du manuel, ajoutez une première règle permettant d’expliquer l’apparition de bactéries résistantes.
Rq : le taux de mutations est naturellement très faible, de l’ordre de 10-4 à 10-6 ; on le fixera à 0.05 % dans cette modélisation.
4- En considérant que les mutations s’accumulent progressivement l’une après l’autre dans les cellules bactériennes, ajoutez les règles manquantes pour observer l’apparition de bactéries résistantes capables de se multiplier dans les zones où l’antibiotique est de plus en plus concentré.
5- Lorsque votre modèle est complet, testez-le en le comparant aux observations expérimentales (vidéo) pour le valider. Appelez le professeur pour validation.
6- Une fois votre modèle validé, modifiez judicieusement les zones de l’environnement afin de montrer que c’est bien l’usage excessif d’antibiotique qui est responsable du développement de souches bactériennes très résistantes.
7- Analysez les résultats obtenus pour répondre à la problématique et critiquez le modèle utilisé.
DÉMARCHE A SUIVRE POUR LA MODÉLISATION DE L’EFFET DES INSECTICIDES SUR L’ÉVOLUTION DES CHENILLES
1- Commencez par lire les documents 4 et 5 p. 241 du manuel.
2- Après avoir fait tourner le modèle une première fois sans modification particulière, identifiez le paramètre à modifier dans la règle de reproduction des chenilles sensibles.
3- À l’aide du document 2 p. 240 du manuel, ajoutez une première règle permettant d’expliquer l’apparition de chenilles résistantes.
Rq : le taux de mutations est naturellement très faible, de l’ordre de 10-4 à 10-6 ; on le fixera à 0.05 % dans cette modélisation.
4- À l’aide du document 7 p.241, ajoutez une deuxième règle pour compléter les règles de reproduction des chenilles.
5- Lorsque votre modèle est complet, testez-le en le comparant aux observations réelles du document 5 pour le valider. Appelez le professeur pour validation.
6- Une fois votre modèle validé, modifiez judicieusement les zones de l’environnement afin de montrer qu’une zone refuge permet bien de conserver des chenilles sensibles dans la population (document 7).
7- Analysez les résultats obtenus pour répondre à la problématique et critiquez le modèle utilisé.

 Informations sur le logiciel Edu’Modèles et sur les modèles fournis

  • Edu’Modèles permet de faire de la modélisation algorithmique, c’est-à-dire que les modèles sont basés sur des algorithmes simples utilisant des agents (entités) qui interagissent entre eux grâce à des règles (comportements).

Pour le pré-modèle Bactérie antibiotique :

  • Environnement :
    • la planche de culture des bactéries est modélisée et les différentes zones contenant des antibiotiques sont représentées en nuance de gris, allant du blanc = zone sans antibiotique (dite non affectée ici) au gris foncé = zone la plus concentrée en antibiotique (nommée Antibiotique 1000) ;
    • à l’ouverture (t=0), les bactéries sensibles sont déjà déposées sur la bordure gauche de la planche de culture.
  • Agents du modèle  : (ne pas changer le paramétrage des agents)
    • Bactérie S : Bactérie E. coli sensible à l’antibiotique ;
    • Bactérie R1 : Bactérie E. coli résistance à une dose d’antibiotique = 1 UA ;
    • Bactérie R2 : Bactérie E. coli résistance à une dose d’antibiotique = 10 UA ;
    • Bactérie R3 : Bactérie E. coli résistance à une dose d’antibiotique = 100 UA ;
    • Bactérie R4 : Bactérie E. coli résistance à une dose d’antibiotique = 1000 UA.
  • Règles du modèle  :
    • Division S : Décrit la division d’une bactérie E. coli sensible.

Pour le pré-modèle Maïs Chenilles insecticide :

  • Environnement :
    • une parcelle de culture est modélisée et peut être découpée en différentes zones : zone sans insecticide (fond vert) et zone avec insecticide (fond rouge) ;
    • à l’ouverture (t=0), les maïs est déjà disposé aléatoirement sur toute la parcelle de culture, quel que soit le zonage.
  • Agents du modèle  : (ne pas changer le paramétrage des agents)
    • Maïs : pied de maïs ;
    • Chenille Sensible : chenille affectée par l’insecticide ;
    • Chenille Résistante : chenille non affectée par l’insecticide ;
    • Insecticide : molécule insecticide ;
  • Règles du modèle  :
    • Ravage Maïs Cheni Résist : décrit le ravage des pieds de maïs par les chenilles résistantes ;
    • Ravage Maïs Cheni Sensi : décrit le ravage des pieds de maïs par les chenilles sensibles ;
    • Reproduction RR : décrit la reproduction de 2 chenilles (en réalité papillons) résistantes
    • Reproduction SS : décrit la reproduction de 2 chenilles (en réalité papillons) sensibles
    • Action Insecticide : décrit l’action de l’insecticide sur les chenilles sensibles.
Captures d’écrans modèle bactéries et antibiotique
sans antibiotique
avec antibiotique
Captures d’écrans modèle chenilles et insecticide
sans zone refuge
avec zone refuge

 Explications, analyse et pistes d’amélioration

EXPLICATIONS À L’INTENTION DES COLLÈGUES
1- Dans cette activité, un pré-modèle est donné aux élèves, ce qui permet de gagner du temps dans la compréhension de la modélisation à réaliser. Par contre, il ne prend pas en compte tous les aspects du réel et va donc nécessiter des améliorations (modification et/ou ajout de règles), ce qui oblige les élèves à une bonne compréhension des phénomènes étudiés (intervention des mutations et de la sélection naturelle) pour leur implémentation dans le modèle.

2- Le modèle étant stochastique, les résultats peuvent beaucoup varier d’une simulation à l’autre (surtout pour le modèle « chenilles ») et les élèves vont vite s’en rendre compte. Cela permet d’amener une réflexion sur la nécessite de réaliser plusieurs simulations pour faire des moyennes et donc ébaucher un semblant de traitement statistique des valeurs obtenues. Le choix du nombre de simulations peut être laissé à l’appréciation des élèves ou du professeur. Mais le nombre de simulations ne sera forcément pas suffisant pour un véritable traitement statistique, car c’est un compromis à faire avec la durée de la séance. Ce point doit donc être critiqué avec les élèves.

3- Il faut, comme dans toute activité basée sur des simulations obtenues par des modèles, bien aider les élèves à distinguer la première phase de construction/amélioration du modèle, qui vise à traduire numériquement au mieux les phénomènes réels (ici les mutations et la sélection naturelle) et la seconde phase d’utilisation de ce modèle, à travers plusieurs simulations qui vont permettre d’observer l’effet du paramètre testé (présence ou non d’antibiotique avec des doses croissantes, présence ou non d’une zone refuge).

4- La taille des zones choisies par les élèves peut varier selon les groupes. Il faut s’assurer que les différentes zones tracées grâce à l’outil Zones ont des tailles correctes (ni trop petites, ni trop grandes).

5- Parmi les critiques des modèles que l’on peut formuler et aborder avec les élèves, on peut noter au minimum (en plus du nombre de simulations pour un traitement statistique) :
–  Pour le modèle antibiotique : le fait que les mutations se produisent les unes à la suite des autres (ce qui n’est pas forcément le cas dans la réalité), qu’il peut exister plusieurs mutations différentes conférent une même résistance et qui peuvent donc être à l’origine de souches différentes (ce qui n’est pas le cas dans notre modèle où il n’y a qu’une seule souche résistante à une concentration donnée).
–  Pour le modèle insecticide : la reproduction des chenilles S-S et S-R se fait dans la zone sans insecticide, ce qui est cohérent avec le fait que les chenilles sensibles sont affectées par l’insecticide dans la zone où il est présent, mais n’est réellement pas vrai. C’est une simplification volontaire pour faire un modèle qui tourne plus facilement.
FICHIERS CORRIGES
Fichier Modèle Bactéries complet
Fichier Modèle Chenilles complet
QUELQUES PRODUCTIONS D’ÉLÈVES
J’ai choisi de faire réaliser aux élèves un fichier numérique de type diaporama, présentant leurs simulations avec leurs résultats et analyses.
On peut partager les productions des groupes sur un mur collaboratif (Pearltrees, ENT), ou simplement les récupérer sur clé USB.
Exemple 1 - Antibiotique
Exemple 2 – Insecticide
ANALYSE ET ÉVALUATION DU DISPOSITIF
Plus-values dégagées
  • En utilisant un modèle numérique, ce travail permet aux élèves de mieux appréhender les notions de modèle et de simulation, et leur montre l’intérêt de modéliser des phénomènes complexes en raison de la durée du phénomène étudié, de l’espace étudié ou de la dangerosité de l’objet d’étude (bactéries ou chenilles résistantes).
  • Un travail critique sur la modélisation est ensuite grandement facilité et nécessaire pour leur faire comprendre que tout modèle à ses limites et qu’il faut en être conscient lors de l’analyse des résultats.
  • Il y a assez peu de notions à traiter dans le programme d’enseignement scientifique de première et de terminale (climat, Hardy-Weinberg, fragmentation des habitats) où les élèves peuvent utiliser un véritable logiciel de modélisation numérique, c’est-à-dire un logiciel qui ne soit pas juste une boîte noire leur donnant un résultat avec un clic sur un bouton. Or la modélisation numérique est aujourd’hui un outil couramment utilisé dans de nombreuses disciplines scientifiques. Leur faire manipuler un logiciel de modélisation numérique est donc le meilleur moyen de leur faire comprendre ce qu’est la modélisation numérique et ce qu’elle apporte à la science d’une manière générale. Cela s’inscrit donc pleinement dans les objectifs du programme d’enseignement scientifique.
  • Cette activité permet d’aborder l’effet des actions humaines sur la sélection de bactéries et de ravageurs des cultures résistants et donc sur les moyens de lutter contre leur émergence, de manière plus pratique, concrète et interactive qu’une simple analyse de données documentaires. Les élèves rentrent ainsi vite dans l’activité et comprennent bien l’objectif.
Difficultés rencontrées
  • L’utilisation d’un tableur-grapheur peut être difficile pour certains élèves. Il ne faut donc pas oublier de leur mettre à disposition la fiche technique du tableur utilisé ou leur donner des conseils pratiques ciblés pour gagner du temps.
  • Le traitement statistique des données numériques et la réalisation de calculs (pourcentages) permettant de comparer les simulations témoins/tests n’est pas évident pour les élèves et doit donc être abordé par le professeur.
  • Les élèves sont beaucoup focalisés sur leurs résultats et oublient souvent de critiquer le modèle à la fin du TP (aussi lié au temps).
  • Pour que le temps de la séance soit pleinement consacrée à la pratique, il vaut mieux avoir vu les notions de cours avant.
Pistes d’amélioration
  • Pour développer l’aspect collaboratif et insister sur le traitement statistique des résultats, on peut envisager de mettre en commun les résultats de tous les groupes travaillant sur le même modèle, afin de travailler sur un plus grand nombre de simulations.
  • La démarche est ici fournie aux élèves pour gagner du temps. On peut tout à fait envisager de ne pas la leur donner pour transformer cette activité en tâche complexe sur 2 séances successives.
  • Cette activité étant construite sur une structure similaire à celle la précédant L’effet de la fragmentation de l’habitat sur le crapaud commun, il pourrait être intéressant d’y intégrer des éléments de progressivité dans l’acquisition de l’autonomie pour les élèves. Ainsi la séance 1 (activité sur les crapauds) pourrait être relativement guidée pour que les élèves s’approprient le logiciel. Les élèves pourraient ensuite travailler en autonomie lors de la séance 2 (en gardant une version plus guidée adaptée sous forme d’aide à apporter aux élèves en difficulté). Cette approche permettrait de travailler et d’évaluer la compétence « utiliser/modifier un modèle », en proposant une autoévaluation formative lors de la première utilisation, sur laquelle les élèves pourraient s’appuyer lors du travail autonome de la deuxième utilisation. Cette deuxième séance pourrait alors donner lieu à une évaluation par le professeur.
    La grille suivante détaille les critères d’évaluations et les niveaux de maîtrise de chacun et pourrait être utilisée dans ce but :

 Articles scientifiques fondateurs

  • L’évolution en direct de la résistance aux antibiotiques. D’après l’article Baym et al. « Spatiotemporal microbial evolution on antibiotic landscapes » Science, 6304 : p1147-1151 (2016)
  • Denis D. Bourguet, Josette Chaufaux. Pyrale du maïs et maïs transgénique Bt : sélection et gestion de la résistance. AIP-INRA ”OGM et Environnement”, Apr 2002, Paris, France. hal-02762708

 Remerciements

au GEP ainsi qu’à Laurent GUERRE et Matthieu BAUER pour leur relecture attentive et leurs conseils.

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