Les photorécepteurs rétiniens : un produit de l'évolution (démarche version 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) |
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"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 |
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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 |
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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) |
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Homme |
opsine S (bleu), opsine M (vert) et opsine L (rouge) | vision trichromatique |
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Chimpanzé |
opsine S (bleu), opsine M (vert) et opsine L (rouge) | vision trichromatique |
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Bonobo
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opsine S (bleu), opsine M (vert) et opsine L (rouge) | vision trichromatique |
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Saïmiri |
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. |
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Macaque |
opsine S (bleu), opsine M (vert) et opsine L (rouge) | vision trichromatique |
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Gorille
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opsine S (bleu), opsine M (vert) et opsine L (rouge) | vision trichromatique |
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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 |
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Cebus |
opsine S (bleu) et opsine M (vert)
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vision dichromatique
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* : 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 |
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--> 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 |
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| Possibilité 2 : Anagène ou GenieGen puis DeVisu (module Opsines) |
Rappels ...
Dans le cadre du programme de TS en extinction à la rentrée 2012, diverses propositions ont déjà été publiées, dont voici les références :
- Sur acces : Les innovations génétiques à partir des opsines
- Dans la notice pédagogique d'Anagène 2 :
--> 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)
