Reconstruire la parenté : arbres phylogénétiques

Les élèves retiennent mieux les principes des arbres phylogénétiques quand ils passent du temps à les construire eux-mêmes plutôt que de simplement les observer. En manipulant des matrices de caractères et en discutant des choix de parcimonie, ils intègrent la logique derrière les relations de parenté.

• Seconde
• SVT Seconde : Comprendre le Vivant et son Environnement
• 4 activités
• 25 min–50 min

Objectifs d’apprentissage

1. Construire un arbre phylogénétique simple à partir d'une matrice de caractères, en appliquant le principe de parcimonie.
2. Analyser un arbre phylogénétique donné pour identifier l'ancêtre commun le plus récent de deux espèces et déduire leurs relations de parenté.
3. Expliquer comment les caractères homologues sont utilisés pour établir la filiation entre les organismes, en distinguant les homologies des analogies.
4. Évaluer les limites d'un arbre phylogénétique en identifiant les sources potentielles d'erreur, comme les convergences évolutives ou les données manquantes.
5. Comparer deux arbres phylogénétiques proposés pour un même groupe d'espèces et justifier lequel est le plus parcimonieux.

Cercle de recherche

⏱ 50 min·Petits groupes

Cercle de recherche: Construire un arbre

Les groupes reçoivent une matrice de caractères (présence/absence de poils, plumes, mâchoire, quatre membres, etc.) pour six espèces. Ils doivent construire l'arbre le plus parcimonieux, justifier chaque regroupement et identifier les caractères dérivés partagés.

Préparation et détails

Expliquez comment les caractères partagés (homologies) sont utilisés pour construire des arbres phylogénétiques.

Conseil de facilitation: Pendant l'activité collaborative, circulez entre les groupes pour poser des questions qui les incitent à expliquer leur raisonnement, comme 'Pourquoi avez-vous placé ce caractère ici ?'.

Setup: Groupes en îlots avec accès aux ressources documentaires

Materials: Corpus de documents sources, Fiche de suivi du cycle de recherche, Protocole de formulation de questions, Canevas de présentation des résultats

• Analyser
• Évaluer
• Créer
• Autogestion
• Conscience de soi

Penser-Partager-Présenter

⏱ 25 min·Binômes

Penser-Partager-Présenter: Lire un arbre sans se tromper

Chaque élève reçoit un arbre et cinq affirmations à vérifier (ex: 'le lézard est plus évolué que la grenouille'). Il les évalue individuellement, puis confronte ses réponses avec un voisin. La mise en commun corrige les erreurs de lecture fréquentes.

Préparation et détails

Interprétez un arbre phylogénétique pour déduire les relations de parenté entre différents organismes.

Conseil de facilitation: Lors du Penser-Partager-Présenter, insistez sur le temps de réflexion individuelle avant la discussion en binôme pour éviter que les élèves ne répètent simplement ce qu'ils entendent.

Setup: Disposition de classe standard ; les élèves se tournent vers leur voisin

Materials: Consigne de discussion (projetée ou distribuée), Optionnel : fiche de prise de notes pour les binômes

• Comprendre
• Appliquer
• Analyser
• Conscience de soi
• Compétences relationnelles

Rotation par ateliers

⏱ 35 min·Petits groupes

Rotation par ateliers: Homologie vs analogie

Trois stations présentent des exemples de structures similaires : aile de chauve-souris vs aile d'oiseau (homologie), aile d'insecte vs aile d'oiseau (analogie), nageoire de dauphin vs nageoire de requin (analogie). Les élèves doivent justifier la nature de chaque ressemblance à partir de l'anatomie comparée.

Préparation et détails

Analysez les limites et les incertitudes dans la reconstruction des arbres phylogénétiques.

Conseil de facilitation: À la station analogie/homologie, préparez des exemples visuels précis (comme les ailes d'oiseaux et d'insectes) pour éviter les généralisations.

Setup: Tables ou bureaux organisés en 4 à 6 pôles distincts dans la salle

Materials: Fiches de consignes par station, Matériel spécifique à chaque activité, Minuteur pour les rotations

• Mémoriser
• Comprendre
• Appliquer
• Analyser
• Autogestion
• Compétences relationnelles

Carte conceptuelle

⏱ 45 min·Binômes

Atelier numérique : Phylogène

Les élèves utilisent le logiciel Phylogène pour construire un arbre à partir de données moléculaires et le comparer avec un arbre morphologique. Ils identifient les concordances et les divergences, et discutent des raisons possibles des différences.

Préparation et détails

Expliquez comment les caractères partagés (homologies) sont utilisés pour construire des arbres phylogénétiques.

Setup: Tables avec de grandes feuilles ou espace mural

Materials: Étiquettes de concepts ou post-its, Papier grand format (A3 ou raisin), Marqueurs, Exemple de carte conceptuelle

• Comprendre
• Analyser
• Créer
• Conscience de soi
• Autogestion

Enseigner ce sujet

Commencez par des exemples simples avec des organismes familiers (comme les vertébrés) pour ancrer les concepts dans le concret. Évitez de présenter trop tôt des arbres complexes ou des exceptions. La recherche montre que les élèves comprennent mieux la parcimonie quand ils voient plusieurs arbres possibles pour les mêmes données et qu'ils doivent choisir le plus simple. Prévoyez du temps pour des retours collectifs sur les erreurs fréquentes après chaque activité.

À quoi s’attendre

Les élèves identifient correctement les caractères homologues, construisent un arbre parcimonieux sans erreurs majeures et justifient leurs choix en référence à l'ancêtre commun. Ils distinguent aussi clairement homologie et analogie dans des exemples concrets.

Attention à ces idées reçues

Idée reçue courante

Pendant l'activité 'Penser-Partager-Présenter : Lire un arbre sans se tromper', surveillez les élèves qui interprètent les branches terminales comme des 'stades' successifs d'évolution.

Ce qu'il faut enseigner à la place

Utilisez la matrice de caractères fournie pendant cette activité pour leur faire reconstruire l'arbre et montrer que toutes les espèces actuelles sont des 'feuilles' contemporaines, pas des étapes.

Idée reçue courante

Pendant la station 'Homologie vs analogie', surveillez les élèves qui confondent similitude de fonction avec similitude d'origine.

Ce qu'il faut enseigner à la place

Demandez-leur de comparer la structure interne des exemples (ex: os des ailes de chauve-souris vs insectes) pour identifier les caractères homologues et les caractères analogues.

Idée reçue courante

Pendant l'atelier de construction collaborative d'un arbre, surveillez les élèves qui pensent que l'ancêtre commun est une espèce encore vivante ou retrouvable dans les fossiles.

Ce qu'il faut enseigner à la place

Demandez-leur de dessiner les ancêtres communs comme des nœuds sur l'arbre et de discuter pourquoi ces points représentent des hypothèses, pas des espèces réelles.

Idées d'évaluation

Vérification rapide

Après l'activité collaborative 'Construire un arbre', donnez aux élèves une matrice de caractères simple et demandez-leur de construire l'arbre le plus parcimonieux sur une feuille. Évaluez la bonne identification des ancêtres communs et des relations de parenté.

Billet de sortie

Après l'activité 'Penser-Partager-Présenter : Lire un arbre sans se tromper', donnez un arbre simple et posez deux questions : 1. Citez deux espèces qui partagent un ancêtre commun plus récent que leur ancêtre commun avec une troisième espèce donnée. 2. Identifiez un caractère homologie et un caractère analogie dans le contexte de l'arbre.

Question de discussion

Pendant l'atelier numérique 'Phylogène', lancez une discussion en classe : 'Pourquoi un arbre phylogénétique n'est-il pas une échelle de progrès ?'. Utilisez les arbres construits par les élèves pour montrer que toutes les branches ont la même longueur évolutive.

Extensions et étayage

• Défi : Proposez une matrice de caractères incluant des homoplasies et demandez aux élèves de construire l'arbre le plus parcimonieux, puis d'expliquer pourquoi certains caractères créent des ambiguïtés.
• Étayage : Pour les élèves en difficulté, fournissez une matrice partiellement complétée ou un arbre à compléter avec des indices (ex: 'Ce caractère est présent chez A, B et C, où le placeriez-vous ?').
• Exploration approfondie : Invitez les élèves à explorer comment l'ajout d'un caractère supplémentaire (même incomplet) peut changer la topologie de l'arbre, en utilisant Phylogène pour tester des scénarios.

Vocabulaire clé

Caractère homologue	Un trait hérité d'un ancêtre commun, présent chez plusieurs espèces et qui peut avoir évolué différemment. Par exemple, la structure osseuse des membres des vertébrés.
Caractère analogue (convergence évolutive)	Un trait qui remplit une fonction similaire chez des espèces non apparentées, résultant d'une adaptation indépendante à des environnements similaires. Par exemple, les ailes des oiseaux et des insectes.
Nœud (ou nœud ancestral)	Un point sur un arbre phylogénétique représentant un ancêtre commun hypothétique à partir duquel plusieurs lignées ont divergé.
Clade	Un groupe d'organismes comprenant un ancêtre commun et tous ses descendants. Un clade est monophylétique.
Principe de parcimonie	Un critère utilisé pour choisir l'arbre phylogénétique le plus probable, celui qui minimise le nombre total de changements évolutifs nécessaires pour expliquer la distribution des caractères.