Professeur
- Anne FLORIMOND, lycée Richelieu (92)
LIAISON AVEC LE PROGRAMME | |
---|---|
Niveau concerné | Seconde (programme 2019) |
Partie du programme | Microbiote humain et santé |
Cadre de référence des compétences numériques (CRCN) | |
---|---|
Communication et collaboration |
|
Création de contenus |
|
Informations et données |
|
PLACE DANS LA PROGRESSION |
---|
Après la mise en évidence de quelques aspects de la relation symbiotique entre le microbiote et son hôte [par exemple : le microbiote nous protège contre les bactéries pathogènes, le microbiote profite de ce que nous avalons]. Dans la mesure du possible, après une étude suggérant que la composition en microorganismes et la diversité du microbiote sont des indicateurs de santé. |
MOTIVATION |
---|
S’impliquer dans la modélisation numérique permet tout simplement d’éviter l’effet "boite noire" d’un modèle. Modéliser un phénomène oblige à bien en comprendre le résultat, ne serait-ce que pour déclarer les entités adéquates et mettre en équation les comportements de ces entités. En somme, les élèves rendent compte de mécanismes biologiques en les exprimant avec un algorithme. Ce genre d’activité débouche sur une production effective (le modèle créé) et peut donc être très stimulante pour nos élèves. |
PROBLEME A RESOUDRE |
---|
« On veut expliquer, à l’aide d’un modèle numérique, l’influence d’une alimentation plus ou moins riche en fibres sur l’évolution du microbiote. » |
NOTIONS, SAVOIR-FAIRE, COMPETENCES | |
---|---|
Notions | Extraits du Bulletin officiel spécial n°1 du 22 janvier 2019 Le microbiote [se met en place dès la naissance et] évolue en fonction de différents facteurs comme l’alimentation (présence de fibres) [ou les traitements antibiotiques]. |
Savoir-faire | Sélectionner des informations à partir du réel ou de documents. Travailler en équipe. Prendre en compte les avis d’autrui. Communiquer à plusieurs sur un mur virtuel. |
Compétences | Concevoir, créer, réaliser. Communiquer et utiliser le numérique |
ACTIVITE | ||
---|---|---|
Durée : 1h30 | Coût : 0 euro | Sécurité : RAS |
Outils numériques et ressources | |
---|---|
Le logiciel NetBioDyn et ses tutoriels en mode simulation et construction, OU le logiciel Edu’modèles | |
Un article scientifique (mais destiné au grand-public !), à lire avant la séance | L’article, publié le 13/02/2017 et intitulé "Les fibres alimentaires enrichissent le microbiote", décrit le protocole et les résultats d’une étude menée par chercheurs de l’INRA sur des sujets jeunes et en bonne santé, en collaboration avec le CRNH Rhône-Alpes |
Un pré-modèle numérique | Ce pré-modèle renferme un intestin dans lequel les bactéries du microbiote sont déjà placées et un panel avec différents résidus d’aliments. Il sert à initier la modélisation de l’expérience menée par les chercheurs de l’INRA sur des étudiants. |
Fiche descriptive du pré-modèle numérique de l’expérimentation décrite par l’article de l’INRA | Cette fiche, à lire avant de retoucher le pré-modèle, précise le lien entre le microbiote modélisé et la composition réelle du microbiote intestinal d’un individu. C’est encore une fois l’occasion de rappeler que la construction d’un modèle s’appuie de manière incontournable sur des données scientifiques. C’est aussi, pour les élèves, une petite piqûre de rappel à propos de la composition du microbiote intestinal , avec ses deux phyla "stars " : les Firmicutes et les Bactéroidetes. |
Compléments scientifiques sur la fonction digestive du microbiote | Des informations utiles pour interpréter les résultats de l’expérimentation de l’INRA et donc paramétrer, après-coup, dans le modèle numérique, les comportements des bactéries du microbiote en présence des fibres alimentaires apportées par certains aliments. |
Pixabay | Un site web de partage de photographies, utile pour chercher des images libres de droit afin de figurer les résidus alimentaires qu’on souhaite introduire dans l’intestin. |
Padlet | Un mur virtuel pour que les élèves déposent par binômes leurs productions et puissent découvrir celles de leurs camarades. |
Déroulement global de la séquence
Déroulement détaillé de la séquence
Avant la modélisation : l’étude de l’article de l’INRA complété par la documentation scientifique
– Les conclusions de l’expérimentation menée par l’INRA sur les étudiants :
• l’analyse du microbiote, faite avant la mise au régime, révèle la pauvreté du microbiote des étudiants consommant peu de fibres et le richesse de celui des étudiants ayant l’habitude de consommer beaucoup de fibres ;
• à la suite d’un régime plus ou moins riche en fibres, on assiste à une augmentation de la richesse du microbiote des étudiants, proportionnellement à la quantité de fibres absorbées.
– Dans le document scientifique sur la fonction digestive du microbiote, on relève que "La partie non digérée - en particulier les fibres alimentaires- se retrouve dans le colon, où le microbiote colique entre en action. Des réactions de fermentation portant sur ces glucides et protides permettent aux bactéries d’obtenir l’énergie nécessaire à leur croissance et entrainent de ce fait la production d’une diversité de nutriments qui sont absorbés et utilisés par l’hôte".
Lors de la modélisation, les élèves pourront utiliser cette information pour écrire les équations de comportement des bactéries du microbiote qui rencontrent, dans l’intestin, des résidus alimentaires riches en fibres.
L’activité de modélisation pendant la classe
– L’énoncé du travail donné aux élèves :
À l’aide du document scientifique fourni et de l’expérimentation menée par l’INRA sur une cohorte d’étudiants soumis à un régime plus ou moins riche en fibres, construire un modèle numérique rendant compte des bienfaits d’une alimentation riche en fibres sur l’évolution du microbiote.
– Quelques aides et indications :
- À l’ouverture du pré-modèle, on découvre les entités participant à la modélisation, dont différents résidus alimentaires (les élèves doivent, d’après les lectures préliminaires, pouvoir dire s’il sont ou non riches en fibres) :
- À l’ouverture de l’algorithme (fonction "Export modele"), on découvre qu’aucune équation d’utilisation de résidu de digestion par les bactéries n’est paramétrée. Ce sera donc aux élèves de les rajouter :
- Les élèves peuvent bien entendu ajouter dans le panel des aliments autres que ceux proposés par défaut.
- L’algorithme peut être modifié de manière très conviviale en utilisant les boutons "entités" et "comportements".
- Dans un modèle, chaque entité (= chaque acteur) est définie par sa mobilité et sa demi-vie. La demi-vie d’une entité est la durée au bout de laquelle la moitié de la population de cette entité a disparu.
- Une équation de comportement s’écrit comme une réaction chimique : les réactifs en amont et les produits en aval.
- Pour éviter l’encombrement rapide de l’environnement par de trop nombreuses entités, on évite de donner une probabilité trop forte à un comportement de reproduction (éviter les valeurs supérieures à 0,1)
- Une fois le modèle créé, ne pas oublier de le tester :
- faire manger peu de fibres à un étudiant dont le microbiote est initialement pauvre
- faire manger beaucoup de fibres à un étudiant dont le microbiote est initialement pauvre
- faire manger des fibres à un étudiant dont le microbiote est initialement riche
- penser à renouveler les prises alimentaires !
LES PRODUCTIONS DES ÉLÈVES |
---|
Concernant la communication des productions, j’ai proposé aux élèves de présenter leur travail, illustré par l’algorithme et des captures d’écran de simulations, dans un fichier numérique au format de leur choix à déposer sur Padlet. Ils ont utilisé la dernière demi-heure de la séance pour réaliser cette communication.
Voici leurs dépôts :
ANALYSE DU DISPOSITIF | |
---|---|
Plus-values dégagées | - Les élèves semblent motivés par le fait d’être acteurs de la construction d’une partie du modèle numérique ;
– La liberté d’ajouter dans l’intestin certains résidus d’aliments, non prévus par défaut dans le pré-modèle, a réellement enthousiasmé les élèves (ajout de leur touche personnelle). Les sushis et fajitas ont eu le vent en poupe ! – Le modèle numérique modifié est aussitôt mis à l’épreuve avec les données de l’étude, ce qui amène à le retoucher, un peu comme le feraient des chercheurs ; – Modélisation peu chronophage grâce à la fourniture d’un pré-modèle ; – Davantage de compétences mobilisées par rapport à une simple étude documentaire de la même expérimentation ? |
Difficultés rencontrées | Si la partie algorithmique a été plutôt bien menée, les simulations lors du test du modèle ont fait ressortir quelques difficultés techniques. Aves NerBiodyn, vertains élèves ont gommé par inadvertance les contours de l’intestin, faits d’entités fixes et de liens rigides et imperméables. Pour éviter cela (et donc les fuites de microbiote !), il est conseillé d’utiliser le zoom lors des opérations de placement/gommage des entités dans l’intestin. D’autre part, toujours avec NetBioDynpour ne pas disposer les entités hors de l’intestin, l’outil crayon est à préférer au spray. Hormis ces petits incidents, la séance s’est bien déroulée. |
Pistes d’amélioration | Avant l’activité de modélisation, un QCM pourrait être proposé pour s’assurer de la bonne compréhension de ce qui était à lire avant la séance. Pour aider les élèves à déterminer si tel aliment contient ou non des fibres, on peut ajouter cet article supplémentaire comme ressource facultative à lire avant la séance. On peut aussi diriger les élèves vers la table de composition nutritionnelle des aliments Ciqual qu’ils ont probablement déjà utilisée au cycle 4. |
La modélisation proposée a ses limites : on montre ici que l’effectif de chaque groupe bactérien augmente avec un régime riche en fibres, sans montrer que la diversité spécifique augmente. Les scientifiques, eux, lorsqu’ils parlent de "richesse" à propos du microbiote, estiment en fait la diversité des groupes présents (richesse qualitative), quelle que soit l’abondance de chaque groupe (richesse quantitative).
Autre proposition de démarche |
---|
Il est possible d’envisager de manière différente cette activité : proposer une démarche où les résultats de l’étude de l’INRA sont la réalité à laquelle on va confronter le modèle. On formule l’hypothèse que les spécificités métaboliques des différents types de microorganismes expliquent ces résultats. Ce sont ces spécificités qu’on met en équation dans le modèle, comme proposé. On fait tourner le modèle avec les mêmes variables que l’expérience de l’INRA et on regarde si on obtient bien les mêmes résultats que l’expérience . Si oui les hypothèses sont vérifiées. Éventuellement on ajuste les constantes dans les équations du modèle. Ensuite si le modèle est validé on peut faire des prédictions avec d’autres types d’aliments.
Pour aller plus loin à propos de l’utilisation des fibres alimentaires par le microbiote : |
---|
Un autre communiqué de l’INRA : "Microbiote : un nouvel éclairage sur le devenir des fibres alimentaires dans notre intestin" , à relier à l’article "A fibrolytic potential in the human ileum mucosal microbiota revealed by functional metagenomic" (revue nature, 16 janvier 2017).
Voir une proposition pédagogique sur la relation symbiotique entre le microbiote et son hôte, sur la plate-forme Acces