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du côté des élèves - S - Les photorécepteurs rétiniens : un produit de l'évolution

Exemples de productions ou de raisonnements pour la démarche "Les photorécepteurs rétiniens : un produit de l'évolution " proposée en classe de 1S

La consigne globale est : "À partir de l’exploitation des données moléculaires proposées, recherchez la signification évolutive de la vision trichromatique".

 

Premier temps : pigments rétiniens et parentés entre espèces

"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".

  • La démarche de résolution pourrait être la suivante :
Etapes
Production

Exploitation informatique (avec GenieGen ou Anagène)  du fichier "Complet_OpsinesS.edi"

Une matrice des ressemblances générée avec le logiciel GenieGen :

matrice opsine S (protéique)

 Pourcentages de ressemblances entre  les séquences protéiques de l'opsine S chez différentes espèces

Utilisation  de la matrice des ressemblances pour trouver un argument en faveur de l’appartenance de l’Homme au groupe des Primates

 On observe  que la séquence d'acides aminés de l'opine S de l'Homme  ressemble davantage à celle des Primates (ici le Chimpanzé, le Gorille, le Bonobo, le Macaque, le Saïmiri, l'Alouate et le Cebus)  qu'à celle de la souris (un non-Primate). Il s'agit là d'un argument en faveur de l'appartenance de l'Homme au  groupe des Primates.
Reconnaissance du(des) plus proche(s) parent(s) de l'Homme

 Les similitudes de séquences les plus importantes sont celles observées entre la séquence protéique de l'opsine S de l'Homme et celle du Chimpanzé et du Bonobo. Ceci étaye l'idée que les plus proche parents de l'Homme, dans la nature actuelle, sont  le Chimpanzé et le Bonobo. 

 

  • Conclusion à propos de cette activité :

La comparaison des séquences des opsines aura permis de sensibiliser les élèves à l'idée que chez des espèces différentes, on peut rencontrer des molécules dont les séquences montrent des ressemblances importantes, ne pouvant être attribuées au hasard. On parle d'homologie moléculaire (terme non exigé dans les nouveaux programmes). Les espèces possédant ces molécules doivent avoir une origine commune.

Les scientifiques utilisent ces ressemblances moléculaires pour préciser le degré de parenté entre les espèces : des espèces sont d’autant plus apparentées que les séquences de leurs molécules sont semblables. En filigrane, on utilise le raisonnement phénétique -terme non exigé dans les nouveaux programmes.

En appliquant ce raisonnement aux séquences d'acides aminés des molécules d’opsines contenues dans les cônes, on confirme d’une part que l’Homme, parmi les Mammifères, fait partie des Primates, et d’autre part qu’au sein des Primates ses plus proches parents sont le Chimpanzé (=chimpanzé commun (Pan troglodytes)) et le Bonobo  (= chimpanzé nain (Pan paniscus)).

 

Voir la possibilité 2 (incursion de Phylogène) permettant d'atteindre les mêmes notions ...

 

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

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

  •  La démarche de résolution pourrait être la suivante :
Etapes
Production
Exploitation informatique (avec GenieGen ou Anagène)  du fichier  "Pack_pigments_Homme.edi"  

Deux matrices des ressemblances générée avec le logiciel GenieGen :

Matrice similitudes pigments Homme

 Pourcentages de ressemblances entre  les séquences protéiques des pigments rétiniens (rhodopsine et opsines) de l'Homme


Matrice similitudes gènes pigments Homme 

Pourcentages de ressemblances entre  les séquences nucléotidiques  des gènes codant pour les pigments rétiniens (rhodopsine et opsines) de l'Homme

 Utilisation des matrices des ressemblances pour proposer une interprétation

 

En s'appuyant sur les informations de l'aide scientifique, on peut proposer l'interprétation suivante: 

  •  Les gènes codant pour les opsines  L, M, S et  la  rhodopsine montrent d'importantes simitudes, que l'on ne peut attribuer au hasard. On est en présence de gènes homologues. Les pigments rétiniens,  codés par ces gènes, sont des molécules homologues.
  • Pour expliquer la présence de ces gènes homologues dans le génôme de la même espèce, il faut faire intrevenir le phénomène de duplication génique.
  • Pour obtenir les quatre gènes homologues, trois duplications auront été nécessaires à partir d'un gène ancestral.
  • Le similitudes les plus importantes étant celles entre les séquences des gènes des opsnes M et L, on en déduit que la duplication la plus récente est celle à l'origine des gènes de l'opsine M et de l'opsine L.
  • Sachant que les gènes des opsines M et L sont portés tous les deux par le chromosome X  alors que les gènes de l'opsine S et celui de la rhodopsine sont respectivement portés par les chromosomes 7 et 3, on en déduit que les deux premières duplications ont été associées à des translocations. 
 Schématisation d'une histoire évolutive possible des gènes codant pour les pigments rétininiens
  • Possibilité 1 : une schématisation manuelle

En adaptant le modèle de schéma de l'aide scientifique au cas des gènes codant pour les pigments rétiniens, on peut proposer le schéma suivant :

schéma origine pigments rétiniens

  • Possibilté 2 : une schématisation guidée (logiciel De Visu, module Opsines)

Le logiciel fournit directement une matrice des distances. L'élève est invité à déplacer les étiquettes (noms des pigments)  pour proposer une chronologie des duplications.

opsines_De_Visu_étape1

pigments_De_Visu_étape2

 pigments_De_Visu_étape3

 

  •  Conclusion à propos de cette activité :

 L'étude ainsi réalisée aura permis de reconnaître, dans le génome d’une même espèce, la présence de gènes homologues (terme non exigé dans les nouveaux programmes). On dit que ces gènes appartiennent à une même famille multigénique.

 Les similitudes entre ces gènes sont interprétées comme le résultat d’une ou plusieurs duplications d’un gène ancestral. Les différences entre ces gènes s’expliquent par l’accumulation de mutations au cours de l’évolution.
 
Les gènes des pigments rétiniens représentent à ce titre une famille multigénique, issue d'une succession de duplications. 

 

  • Pour aller plus loin :

- voir un raisonnement conduisant à la datation des duplications :

http://www.inrp.fr/Acces/biotic/evolut/mecanismes/opsines/html/resultatscomparaison.htm

- voir un raisonnement concernant la vision des couleurs chez le singe Cebus :

http://www.inrp.fr/Acces/biotic/evolut/mecanismes/opsines/html/conclusion3.htm

  

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