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Les photorécepteurs rétiniens : un produit de l'évolution (démarche version Première S)

Proposition de démarche pour traiter les notions "l'étude comparée des pigments rétiniens permet de classer l'Homme parmi les Primates" et "les gènes des pigments rétiniens constituent une famille multigénique (issue de duplications)" en classe de Première S.

Préambule

Pour la proposition décrite ci-après, plutôt destinée à des élèves de la série S que le professeur doit former à l'épreuve d'Evaluation des Compétences Expérimentales, nous faisons le choix d'une diversité  de logiciels de traitement de données moléculaires (Anagène, Phylogène, GenieGen et De Visu) au service de la construction des notions.

  La structure des protéines et la relation gène-protéine faisant partie du programme de SVT de la classe de Première S, on raisonnera aussi bien à partir des comparaisons de séquences nucléotidiques qu'à partir des séquences protéiques (opsines) codées par les gènes.

 Remarque : pour  une construction plus rapide de la notion " l'étude des gènes des pigments rétiniens  permet de placer l'Homme parmi les Primates" (notion commune aux programme de Première S et de Première L-ES),  se référer à la démarche "express" : "Les pigments  rétiniens : des outils pour retracer l'évolution".

 

Prérequis et problématique

  •   L'étude préalable de l'organisation fonctionnelle de la rétine, et donc des propriétés des photorécepteurs, aura permis de découvrir que la vision des couleurs est liée à l’existence dans la rétine de trois types de cônes. Ces photorécepteurs synthétisent trois pigments différents, les opsines, qui présentent des niveaux d’absorption différents dans le rouge ("opsine rouge"), le vert ("opsine verte") ou le bleu ("opsine bleue"). Avec un seul, ou avec seulement deux de ces pigments, on ne voit pas toutes les couleurs. C'est la présence des trois pigments donc des trois sortes de cônes correspondants qui permet une vision dite trichromatique.
  • D'autre part, la vision trichromatique est une propriété de certaines espèces seulement, dont l'Homme, parmi les Primates. Cet attribut représente une innovation évolutive qui pourrait déjà être utilisée pour établir des relations de parenté (programme du collège et de seconde). Il s'agit désormais d'exploiter des comparaisons moléculaires de gènes codant pour les opsines pour confirmer et préciser les liens de parenté entre l'Homme et les autres espèces de Primates.Il s'agira en dernier recours de s'interroger sur les mécanismes à l'origine d'une diversité de gènes codant pour les pigments rétiniens. Ces mécanismes expliqueront, sur le plan évolutif, la possibilité de vision trichromatique

 

Ressources mises à la disposition des élèves

  • Une panoplie de logiciels : 
LOGICIEL Anagène Phylogène De Visu module opsines GenieGen
alignement  de séquences réalisé par l'élève  OUI NON  NON  OUI
matrice des distances NON OUI (modulable : possiblité d'enlever ou ajouter des espèces)  OUI (figée) OUI (générée en même temps que l'alignement et accessible dans les informations sur le traitement ; choix entre ressemblances et différences)

"arbre"

(figure d'interprétation des comparaisons moléculaires)

NON  OUI(modulable, comme la matrice)  OUI (avec étiquettes déplaçables)  NON

Présentation des potentialités offertes par les différents logiciels de traitement de séquences 

  • Données moléculaires
Nom du fichier Contenu
Complet_OpsinesS.edi Séquences d'acides aminés de l'opsine S chez différents primates (Homme, Macaque, Saïmiri, Chimpanzé, Bonobo, Gorille, Macaque, Cebus et Alouate) et chez un non-Primate : la Souris

 

Pack_pigments_Homme.edi


Séquences d'acides aminés de l'opsine S (bleu), de l'opsine M (vert), de l'opsine L (rouge) et de la rhodopsine de l'Homme, et séquences nucléotidiques des quatre gènes codant respectivement pour ces quatre pigments.

 

  • Document complémentaire : Présence ou non des trois sortes d’opsines chez quelques espèces  de Mammifères
Espèce Types d'opsines présentes dans les cônes   Qualité de la vision colorée

Souris*souris 

opsine S (bleu) et opsine M (vert)  La souris a une vision dichromatique, basée sur seulement deux sortes de cônes, contenant respectivement les opsines S (bleu) et M (vert)

Hommehomo-sapiens 

opsine S (bleu), opsine M (vert) et opsine L (rouge)  vision trichromatique

Chimpanzé chimpanzé commun

 opsine S (bleu), opsine M (vert) et opsine L (rouge)  vision trichromatique

Bonobo

bonobo 

opsine S (bleu), opsine M (vert) et opsine L (rouge) vision trichromatique

Saïmirisaïmiri 

 opsine S (bleu) et opsine M (vert)  

 L'espèce saïmiri a une vision dichromatique, basée sur seulement deux sortes de cônes, contenant respectivement les opsines S (bleu) et M (vert).

Dans le détail, les individus mâles sont dichromates, alors que des cas de femelles trichromates sont rapportés.

Macaquemacaque

 opsine S (bleu), opsine M (vert) et opsine L (rouge)  vision trichromatique

Gorille

gorille 

opsine S (bleu), opsine M (vert) et opsine L (rouge) vision trichromatique

Alouate

 alouate

 opsine S (bleu), opsine M (vert) et opsine L (rouge) L' Alouate (singe-hurleur) est le seul Platyrrhinien a bénéficier de la vision trichromatique

Cebus

 cebus 

 opsine S (bleu) et opsine M (vert)

 

 

vision dichromatique

 

 

 * : la souris est un non-Primate. Toutes les autres espèces figurant dans ce tableau sont des Primates. Les principaux attributs propres aux Primates sont la vision stéréoscopique, les pouces opposables et la présence d'ongles à l'extrémité des doigts.  

 

Déroulement de l'activité

  • Une proposition de consigne globale

"À partir de l’exploitation des données moléculaires proposées, recherchez la signification évolutive de la vision trichromatique"

  • Etapes  :

--> Premier temps : pigments rétiniens et parenté entre espèces

Tâche : À partir de l’exploitation des données moléculaires proposées, confirmez l’appartenance de l’Homme au groupe des Primates et précisez les relations de parenté entre l’Homme et les autres Primates.

Fichier à utiliser Logiciel de traitement de données moléculaires
Fichier "Complet_OpsinesS.edi"

Possibilité 1 : Uniquement Anagène ou GenieGen

  Possibilité 2 : Anagène ou GenieGen puis Phylogène
 

Voir un exemple de résolution
 

--> Deuxième temps : mécanismes à l'origine de la diversité des pigments rétiniens

 

Tâche : À partir de l’exploitation des données moléculaires proposées, proposez une explication à la diversité actuelle des pigments rétiniens.

Fichier à utiliser Logiciel de traitement de données Soutien scientifique
Fichier "Pack_pigments_Homme.edi" Possibilité 1 : uniquement Anagène ou GenieGen
Possibilité 2 : Anagène ou GenieGen puis DeVisu (module Opsines)

  Voir un exemple de résolution


Rappels ...

 Dans le cadre du programme de TS en extinction à la rentrée 2012, diverses  propositions ont déjà été publiées, dont voici les références : 

--> Relations de parenté au sein des Primates - Gène de l'opsine S  (pages 129 à 131)

--> Duplications et  familles multigéniques - Gènes des opsines (pages 153 à 155)