mardi 24 novembre 2020

Le rhinograde qui marche sur son nez : Vrai ou faux ? les musées vous offrent un peu de sourire dans cette grisaille ... et concours !

Démêler le vrai du faux… cette fois pour rire avec les élèves !

Alors que la question des fake news, des complotistes et de la manipulation de l'information sur les réseaux sociaux pose des questions délicates à l'enseignement des sciences, Jump-To-Science a choisi de vous présenter des histoires qui feront sourire comme le Rhinograde :-)

Ces histoires ont sans doute de belles applications en classe pour discuter de la manière dont on établit les savoirs en sciences. Et avec l'approche des fêtes, il arrive qu'on cherche des approches plus légères pour aborder ces questions. Alors que nos ouvrages et nos cours présentes souvent les savoirs comme définitifs et simplement vrais, … il peut être intéressant de discuter sur la base de quoi on rejette ou accepte ces histoires : la manière scientifique de valider les savoirs ... notamment sur la base de quelles données, quelles méthodes d'analyse…et discuter comment la science fonctionne. Chacun saura adapter selon le type d'élèves et ses pédagogies, bien sûr !  


Journée Nationale des Collections d'Histoire Naturelle 2020 Journée Nationale des Collections d'Histoire Naturelle

La Journée annuelle des Collections d'Histoire Naturelle se déroule le 22 Novembre dans plus de 20 Musée et jardins botaniques de Suisse. Malheureusement, la situation sanitaire pousse de nombreuses institutions à laisser leurs portes fermées. Le public peut néanmoins toujours farfouiller dans les collections, mais de manière virtuelle! En effet, les conservatrices et conservateurs suisses racontent les histoires fantastiques de leurs objets dans des vidéos disponibles en ligne. Mais comment démêler le vrai du faux?

Les Jardins Botaniques et Musées d'Histoire Naturelle de Suisse abritent plus de 60 millions d'objets. Derrière chacun d'entre eux se cache une histoire unique

… parfois au sujet d'un organisme bizarre, d'une découverte pleine d'aventures, parfois autour de la rareté, du danger d'extinction ou encore au sujet d'un collectionneur excentrique. Ces histoires peuvent sembler tellement fantastiques que l'on se demande si elles sont vraies ou si elles proviennent de l'imagination sans borne d'une conservatrice ou d'un conservateur.

Concours  «Vrai ou faux»

Grâce au site web www.fantasticstories.ch, 26 institutions suisses vous informent sur la Journée des Collections. Les experts et expertes nous racontent chacun 3 histoires d'objets de leurs collections dans de courtes vidéos. Mais attention : l'une d'elle est totalement inventée. Les fans de devinettes peuvent jouer sur le site web des Histoires Fantastiques et tenter de trouver l'histoire inventée. Les plus perspicaces peuvent gagner des prix exceptionnels, par exemple une visite exclusive dans les collections ou encore d'autres expériences uniques dans le Musée ou jardin botanique de son choix.

© Philippe Wagneur

Cet animal, malheureusement disparu mais dont un spécimen est conservé au Muséum d'histoire naturelle de Genève, utilisait son appendice nasal pour se déplacer. Vrai ou faux ? [vidéo en français]

Le Muséum d'histoire naturelle de Genève fête cette année ses 200 ans !

Aujourd'hui encore, les scientifiques du Muséum continuent par leur travail à entretenir et à enrichir une collection constituée de près de 15 millions de spécimens d'animaux contemporains et fossiles, et de minéraux. Au total, elles représentent environ un quart de toutes les collections de sciences naturelles en Suisse.

La nouvelle exposition Trésors 200 ans d'histoire naturelle à Genève, dévoile 200 objets des collections du Muséum.

En raison des restrictions sanitaires liées au COVID-19, le Muséum est fermé au moins jusqu'au 29 Novembre. Mais vous pouvez toujours visiter nos collections – virtuellement!

Concours : ouvert jusqu'au 15 décembre.

- Vrai ou Faux ? Trois histoires sur les collections du Museum

Story 1: « Les vers pas solitaires »                     Wahr oder unwahr ?

Story 2: « Des mammifères extraordinaires »      Wahr oder unwahr ?

Story 3: « Un escargot qui date les montagnes » Wahr oder unwahr ?

Concours : ouvert jusqu'au 15 décembre.


Plus de vidéos en français :



  © Adrian Möhl.

Cette plante fait partie de la collection vivante du jardin botanique à Berne. On croyait qu'elle avait disparue a été récemment redécouverte. Pas dans son habitat naturel au bord du lac de Constance, mais plutôt au jardin botanique, entre deux lits de semence. Dans tous les cas, c'est ce que nous raconte un chercheur du jardin, mais dit-il la vérité ? [vidéo en allemand]

  © Christoph Germann.

Ce coléoptère du Musée Cantonal d'Histoire Naturelle de Lugano possède une trompe très longue chez les mâles utilisée dans les combats pour impressionner les femelles. Vrai ou faux ?[vidéo en italien]

Cet évènement est proposé par la Société Suisse de Systématique (SSS) et soutenu par l'Académie des Sciences Naturelles et le Fonds National Suisse de La Recherche Scientifique. Des versions haute résolution des images peuvent être téléchargées  ici

Contact en français: Dr Loïc Costeur, Naturhistorisches Museum Basel. Augustinergasse 2, 4051 Basel. 061 266 55 87, loic.costeur@bs.ch


vendredi 23 octobre 2020

Flottaison vs viscosité : Archimède renversé ?

Archimède : Une recherche bouscule les limites de ce modèle classiquement enseigné…


La "loi" d'Archimède détermine l'intensité de la force qui permet la flottaison… Or une recherche récente la présente dans les news de Science (Gent, E. 2020) comme remis en question. Les enseignants savent bien que c'est un modèle, qui a son domaine validité, et ses limites. D'un autre côté, le contexte scolaire exige une clarté sur les attentes aux examens. Cette publication Jump-To-Science présente la version vulgarisée, en repère quelques transpositions et renvoie vers toute la richesse de l'article d'origine (Apffel, et al., 2020). Elle discute finalement comment gérer cette tension entre a) les besoins des élèves que rassurent les vérités simples d'un modèle classiquement enseigné et b) la nature hypothétique et la portés de ces modèles quand une recherche récente en révèle les limites.

En effet dans le modèle d'Archimède les forces de viscosité sont négligées, et avec des objets de la taille d'un savant de l'antiquité  elles sont sans doute négligeables.


Les Gerris révèlent un équilibre entre les forces de              viscosité et de gravitation [

Fig. 1 : Les Gerris  révèlent un équilibre entre les forces de viscosité et de gravitation [img]. Image : Lombard, F.

Par contre ces forces ne sont pas négligeables pour le Gerris lacustris (parfois appelé punaise d'eau ou improprement araignée d'eau) : ses pattes hydrophobes s'appuient, grâce à la tension de surface, sur une dépression de l'eau qui produit la force nécessaire à les tenir au-dessus de la surface de l'eau.  Voir vidéo.


il faut prendre en compte la viscosité et la                    tension de surface pour expliquer le rebond de la                    goutte
Fig. 2 : il faut prendre en compte la viscosité et la tension de surface pour expliquer le rebond de la goutte. Image : Lombard, F.

Sans prendre en compte la viscosité on ne peut guère expliquer les magnifiques formes des gouttes qui rejaillissent de l'eau. La loi d'Archimède ne serait-elle pas une loi absolue  ? 

L'eau qui s'égoutte : la gravitation et la viscosité, la tension de surface ?

Les gouttes qui se forment les jours de pluie sous un rebord ou sous un robinet restent d'abord attachées à la surface mouillée par des forces liées à la viscosité et la tension de surface, retenant en quelque sorte l'eau, puis la gravitation l'emporte et la goutte tombe. Cf. fig. 3 et  vidéo


Fig. 3 : Les gouttes manifestent un équilibre entre les forces de viscosité, tension de surface et de gravitation. Image et video : Lombard, F.

Ce phénomène est bien connu. Cependant une publication récente (Apffel, et al., 2020) montre que , dans certaines circonstances; si on agite la surface d'un liquide très visqueux, la goutte est réabsorbée avant d'avoir pu se détacher, et  Gent, E. (2020) explique que des objets paraissent flotter à l'envers sous la surface inférieure du liquide .  

Fig 4: Cliquer pour animer. Agité énergiquement le liquide visqueux empêche les petits objets de tomber ou de remonter vers la surface supérieure [img]. Source : Gent, E. (2020) d'après Apffel et al., 2020

Des bateaux en lévitation semblent renverser la loi d'Archimède

Gent, E. (2020) dans une News de Science ici commente une étude où l'équipe d'Emmanuel Fort, à l'ESPCI  (Apffel, et al., 2020) ici a réussi à faire flotter de minuscules bateaux sur la face inférieure d'une couche de liquide (voir animation ci-dessus). Gent, E. (2020) évoque avec humour des possibilités nautiques inhabituelles, mais ces résultats sont troublants pour la compréhension naïve de la flottabilité. On observe ici que la vulgarisation met en évidence une conclusion accrocheuse.

Le modèle utilisé pour expliquer pourquoi les bateaux flottent est resté en grande partie inchangé depuis que le mathématicien grec antique Archimède a expliqué comment la force de gravité descendante est équilibrée par la pression ascendante de l'eau déplacée. ent, Gent, E. (2020) indique que les vibrations peuvent induire un comportement étrange qui semble défier la gravité. En ébranlant un modèle solaire bien établi, on voit de nouveau que la vulgarisation met en évidence un aspect accrocheur apparemment issu des conclusions de cette recherche.

En 1951, le physicien russe Piotr Kapitza, lauréat du prix Nobel, a décrit comment le fait de secouer rapidement un pendule inversé le stabilise plutôt que de le faire basculer vers sa position stable naturelle : Kapitza effect, which is the dynamical stabilization of an inverted pendulum by vertical shaking dit l'article d'origine.  Depuis lors, les scientifiques ont utilisé les vibrations pour faire léviter des liquides dans les airs et faire couler plutôt que de monter des bulles d'air (Cf. p. ex. Krieger, 2017). Cette nouvelle étude suggère qu'ils peuvent également inverser les règles de flottabilité. Traduction, d'après Gent, E. (2020). encourage le lecteur à aller vérifier dans l'article d'origine :  ici

Avant qu'une goutte se forme, la secousse (et la viscosité) fournit une force opposée qui la rappelle

Des expériences antérieures avaient montré que les fluides visqueux dans un conteneur vibrant peuvent être amenés à léviter. C'est parce que chaque fois qu'une partie du liquide essaie de s'égoutter, la secousse fournit une force opposée qui le retient. Cela empêche la surface inférieure du fluide de se briser et emprisonne un coussin d'air en dessous. Traduction d'après Gent, E. (2020). Mais Emmanuel Fort, dont le laboratoire se concentre sur l'optique et l'imagerie, n'était pas au courant de ces recherches antérieures. Avec ses collègues, ils se sont inspirés du pendule de Kapitsa  pour voir s'ils pouvaient reproduire un comportement similaire dans un liquide. Ils ont construit un récipient en plexiglas sur une machine à secouer et l'ont rempli de liquides visqueux tels que de l'huile de silicone ou du glycérol. Ensuite, ils ont utilisé une aiguille pour injecter une couche d'air au fond et ont vu que le liquide vibrant lévitait au-dessus.  
Pour bien comprendre le dispositif expérimental il faut se référer à l'article d'origine : Apffel, et al. (2020), Jump-To-Science en a extrait la figure 6 ci-dessous.



a, Experimental setup, composed of a plexiglass container            of various sizes (up to 20 cm in width) attached on a            vertically oscillating shaker with amplitude A and frequency            ω/(2π). The liquid is either glycerol or silicon oil with high            viscosity (typically 0.5 Pa s). The bubbles are created by            injecting air with a syringe through a long needle. We operate            at room temperature (20 °C). b, Image sequence (left to right,            top to bottom) of the creation of the air layer obtained by            injecting air at the bottom of the oscillating liquid bath            through a needle. The sinking bubble grows until it completely            fills the bottom of the bath (see Supplementary Videos 1, 2).            c, d, Vertical amplitude of the liquid layer, Al/A (c), and            the relative phase shift ϕl − ϕ of the liquid oscillations            compared with that of the shaker (d) as a function of the            excitation frequency ω/(2π). Insets, schematic of the            spring–mass system composed of the air layer loaded with the            levitating liquid (c) and image of the Faraday instability            that is triggered on the two opposite surfaces of the            levitating liquid layer of silicon oil (d; see Supplementary            Video 3). The experimental data (full circles) are fitted by            the spring–mass model with fitting parameters ω/(2π) = 103 Hz            and Γ = 0.04 (dashed line; see Supplementary Information for            details). e, Digitally colourized three-quarter views of the            oscillating containers with one and two levitating liquid            layers of silicon oil (see Supplementary Video 4). f, Top,            Digitally colourized side views of the levitating bath in            containers of widths L = 2 cm (left) and L = 18 cm (right);            see Supplementary Video 5. Bottom, critical liquid velocity            𝑣∗l = Alω for Kapitza stabilization of the liquid layer as a            function of the width L of the container: experimental data            (circles) and model 𝑣∗l=𝑔𝐿/𝜋‾‾‾‾‾√ (dashed line). Error            bars correspond to extremal values over five experiments.
Fig 6: a, Montage expérimental, composé d'un récipient en plexiglas  (jusqu'à 20 cm de largeur) fixé sur un agitateur oscillant verticalement avec amplitude A et fréquence ω / (2π). Le liquide est soit du glycérol ou de l'huile de silicone à haute viscosité (typiquement 0,5 Pa s). Les bulles sont créées en injectant de l'air avec une seringue à travers une longue aiguille. L'expérience se déroule à température ambiante (20 ° C). b, Séquence d'images (de gauche à droite, de haut en bas) de la création de la couche d'air obtenue en injectant avec une aiguille de l'air au fond du bain liquide oscillant. La bulle qui coule grandit jusqu'à ce qu'elle remplisse complètement le fond du récipient (voir les vidéos supplémentaires 1, 2). c, d, Amplitude verticale de la couche liquide, Al / A (c), et le déphasage relatif ϕl - ϕ des oscillations du liquide par rapport à celui du secoueur (d) en fonction de la fréquence d'excitation ω / (2π ). En médaillon, schéma du système masse-ressort composé de la couche d'air chargée du liquide en lévitation (c) et image de l'instabilité de Faraday qui se déclenche sur les deux surfaces opposées de la couche liquide en lévitation d'huile de silicium (d; voir Vidéo supplémentaire 3). Les données expérimentales (cercles pleins) sont ajustées par le modèle ressort-masse avec les paramètres d'ajustement ω / (2π) = 103 Hz et Γ = 0,04 (ligne pointillée; voir les supplementary informations pour plus de détails). e, vues de trois quarts colorisées numériquement des conteneurs oscillants avec une et deux couches liquides de lévitation d'huile de silicone (voir vidéo supplémentaire 4). f, Haut, vues latérales colorisées numériquement du bain de lévitation dans des récipients de largeurs L = 2 cm (gauche) et L = 18 cm (droite); voir Vidéo supplémentaire 5. Bas, vitesse critique du liquide 𝑣 ∗ l = Alω pour la stabilisation de Kapitza de la couche liquide en fonction de la largeur L du conteneur: données expérimentales (cercles) et modèle 𝑣 ∗ l = 𝑔𝐿 / 𝜋‾‾‾ ‾‾√ (ligne pointillée). Les barres d'erreur correspondent aux valeurs extrêmes sur cinq expériences.  [img]. Source :Apffel et al. (2020) Notre traduction

Après avoir réalisé que le phénomène avait été documenté il y a des décennies, Apffel et al. (2020) ont peaufiné l'expérience en plaçant de petites perles dans la couche de liquide en lévitation - et ont vu qu'elles flottaient de manière stable sur la face inférieure du liquide. «C'était complètement inattendu», déclare Emmanuel Fort dans la news de Gent, E. (2020).  Cf. figure 6. On observe ici que la vulgarisation propose la réaction personnelle qui souligne la dimension inattendue et peut avoir un effet accrocheur.
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Pour accroitre l'impact visuel (un pied de nez aux cours de physique trop dogmatiques ?), Apffel et al. (2020) ont échangé les perles contre de petits modèles de bateaux et ont découvert qu'ils pouvaient flotter sur les surfaces supérieure et inférieure en même temps. Cf. figure 4. encourage le lecteur à aller vérifier dans l'article d'origine :  ici

Apffel et al. (2020) présentent un modèle pour expliquer comment les effets de la flottabilité se reflètent sur la face inférieure du fluide, dans un article au titre percutant :Floating under a levitating liquid". Normalement, de légères perturbations devraient pousser l'objet soit vers le bas dans l'air libre, où il tomberait… soit vers le haut dans le liquide où la flottabilité prendrait le dessus et le pousserait vers le haut. Mais de fortes vibrations peuvent annuler ces perturbations. Elles maintiennent l'objet stable sur la surface inférieure où la traction vers le bas de la gravité et la traction vers le haut de la flottabilité sont parfaitement équilibrées, explique Gent, E. (2020). 
Pour bien comprendre ce modèle, il faut se référer à l'article d'origine. Jump-To-Science en a extrait la figure 7 ci-dessous... mais encourage chacun.e à se faire plaisir en lisant l'original ici

a, Schéma de l'équilibre des forces aux deux interfaces              opposées; la force de flottabilité annule le poids des corps              immergés, où Vim est le volume immergé. b, Profil typique du              potentiel statique (bleu) le long de la direction verticale              z en négligeant les effets dynamiques. Deux positions              d'équilibre apparaissent à chaque interface; l'équilibre              inférieur est instable. Encarts, grossissements du potentiel              à proximité des positions d'équilibre avec ajout de l'effet              de stabilisation dynamique (ligne rouge; voir Informations              complémentaires). c, Vues latérales colorisées numériquement              de sphères en plastique de 2 cm de diamètre, flottant vers              le haut et vers le bas avec une densité inférieure (gauche)              et supérieure (droite). d, Positions d'équilibre moyennées              dans le temps pour des sphères de 2 cm de diamètre avec des              masses variables, en fonction du volume immergé à              l'interface supérieure (carrés bleus) et à l'interface              inférieure (losanges rouges). Les cercles noirs donnent les              positions d'équilibre obtenues sans secousse. La ligne en              pointillé est donnée par le principe d'Archimède avec ρl              mesuré expérimentalement = 1.1 kg l−1 pour le glycérol. Les              barres d'erreur correspondent à des valeurs extrêmes sur              trois mesures. e, Bateaux flottant au-dessus et au-dessous              d'une couche de liquide en lévitation (voir la vidéo              supplémentaire 6; coloriée numériquement).
Fig 5: a, Schéma de l'équilibre des forces aux deux interfaces opposées; la force de flottabilité annule le poids des corps immergés, où Vim est le volume immergé. b, Profil typique du potentiel statique (bleu) le long de la direction verticale z en négligeant les effets dynamiques. Deux positions d'équilibre apparaissent à chaque interface; l'équilibre inférieur est instable. Encarts, grossissements du potentiel à proximité des positions d'équilibre avec ajout de l'effet de stabilisation dynamique (ligne rouge; voir Informations complémentaires). c, Vues latérales colorisées numériquement de sphères en plastique de 2 cm de diamètre, flottant vers le haut et vers le bas avec une densité inférieure (gauche) et supérieure (droite). d, Positions d'équilibre moyennées dans le temps pour des sphères de 2 cm de diamètre avec des masses variables, en fonction du volume immergé à l'interface supérieure (carrés bleus) et à l'interface inférieure (losanges rouges). Les cercles noirs donnent les positions d'équilibre obtenues sans secousse. La ligne en pointillé est donnée par le principe d'Archimède avec  ρl  mesuré expérimentalement = 1.1 kg l−1 pour le glycérol. Les barres d'erreur correspondent à des valeurs extrêmes sur trois mesures. e, Bateaux flottant au-dessus et au-dessous d'une couche de liquide en lévitation (voir la vidéo supplémentaire 6; coloriée numériquement). [img]. Source :Apffel, et al. (2020).

On ne sait pas encore si ce dispositif fascinant a des utilisations pratiques. Des vibrations ont été utilisées pour contrôler le mouvement des bulles dans les fluides pour le traitement des minéraux et les réactions chimiques, mais Gent, E. (2020)  s'interroge sur les utilités de cette nouvelle découverte: la plus grande contribution, ajoute-t-il, est de montrer que les systèmes vibrants détiennent encore des comportements exotiques non découverts.

Le dispositif expérimental de l'équipe n'a été testé qu'avec demi-litre de liquide au maximum, mais leurs équations suggèrent que la seule limite à ce volume est la puissance de la machine à secouer. Et si l'approche fonctionne bien avec des liquides visqueux, elle ne fonctionne pas aussi bien avec de l'eau, selon E. Fort. (l'eau n'est pas visqueuse et n'a pas une tension de surface liquide-liquide très importante)
"A moins que vous ne soyez heureux de vous lancer dans une mer d'huile minérale visqueuse, les rêves de navigation à l'envers pourraient le rester", s'amuse Gent, E. (2020).
On voit de nouveau que la vulgarisation extrapole un aspect accrocheur des conclusions de cette recherche. C'est classiquement ce qui se passe dans la vulgarisation .
Il apparait clairement que pour comprendre les méthodes et le dispositif expérimental il faut se référer à Apffel, et al., (2020). encourage le lecteur à aller vérifier dans l'article d'origine :  ici
La comparaison avec l'article d'origine, là où les savoirs scientifiques sont produits révèle bien ce qui disparait (les méthodes, les limites, le degré de certitude,les modèles formalisés…) et ce qui est mis en avant : les conclusions accrocheuses, l'évolution de modèles à la protée plus large et délimitant mieux les limites des précédents, présenté un peu comme une remise en question d'une vérité établie (Green Staerklé, et al (2002).

Faut-il semer le doute dans l'esprit des élèves en évoquant ces limites du modèle d'Archimède ?

On pourrait craindre que ces recherches conduisent à douter du bien fondé de l'enseignement de la science (physique, ici) : "mais alors la loi d'Archimède est même pas vraie, m'dame/ m'sieur ! … ça sert à quoi de l'apprendre ?" 

L'enseignement des sciences ne peut éviter d'affronter une tension entre a) les exigences de clarté sur ce qui sera demandé à l'évaluation (et donc sur les objectifs) et b) le constat que les savoirs scientifiques sont établis sur la base de modèles qui ne sont pas des certitudes mais des "simplifications de phénomènes focalisées sur certaines caractéristiques et qui peuvent être utilisés pour produire des explications d'observations et mesures ainsi que des prédictions": 

"A scientific model is an abstract, simplified, representation of a system of phenomena that makes its central features explicit and visible and can be used to generate explanations and predictions "(Harrison & Treagust, 2000)ici

Ainsi il n'y a pas en sciences de Top-modèle  (cf Jump-To-Science 2011) qui serait tout simplement vrai, mais des modèles pertinents pour certains problèmes dans certains contextes.

"La question est alors non pas : quel bon modèle enseigner ?
Mais : comment donner aux modèles manipulés leurs trois caractéristiques essentielles :

  • ils sont hypothétiques
  • ils sont modifiables
  • ils sont pertinents pour certains problèmes dans certains contextes ?" Martinand, J. L. (1996)

Résoudre cette tension inévitable dans le monde scolaire ?

Cette tension entre le a) besoin pédagogique de clarté, de certitude pour les élèves de ce qu'il faut savoir et savoir faire pour avoir une bonne note d'une part et b) la nature hypothétique et l'incertitude délimitée des savoirs de la science est incontournable.
Le modèle d'Archimède n'était pas simplement vrai avant Apffel,et al.(2020), il n'est pas faux depuis ces recherches.  Son domaine de validité et les problèmes pour lesquels il est pertinent sont mieux définis.

Cela n'empêche pas de clarifier dans un contexte scolaire qu'en vue de l'examen le modèle d'Archimède, de Mendel, ou un autre est celui que les élèves doivent savoir utiliser pour obtenir la note maximale. Rien n'empêche alors d'aider les élèves à voir les limites du modèle institutionnalisé, son domaine de validité, le type de problèmes pour lesquels il est pertinent ou non.

Et les articles vulgarisés par leur côté accrocheur sans donner les réponses scientifiques pourraient être utilisés pour susciter des questions, donner envie de savoir comment ces savoirs ont été produits ?

Pour aller plus loin …

Peut-on travailler avec les élèves une progression vers un usage moins naïf des modèles ? Schwarz, et al. (2009) suggèrent que c'est possible : cf ici.

Ce serait cohérent avec la place centrale des modèles dans les plans d'études PER (CIIP, 2011)

Références:

  • Apffel, B., Novkoski, F., Eddi, A., & Fort, E. (2020). Floating under a levitating liquid. Nature, 585(7823), 48‑52. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2643-8
  • CIIP, (2011). Plan d'études Romand. Romandie, Suisse: Conférence intercantonale de l'instruction publique de la Suisse Romande et du Tessin.ici
  • Gent, E. (2020). Watch levitating upside-down boats flip the law of buoyancy. Science. https://doi.org/10.1126/science.abe6164
  • Green Staerklé, E., & Clémence, A. (2002). De l'affiliation des souris de laboratoire au gène de la fidélité dans la vie : Un exemple de transformation du savoir scientifique dans le sens commun. In C. Garnier & W. Doise (Éds.), Représentations sociales. Balisage du domaine d'études. Montréal : Éditions nouvelles, pp. 147—155, 2002. (p. 147‑155). intranet.pdf
  • Harrison, A. G., & Treagust, D. F. (2000). A typology of school science models. International journal of science education, 22(9), 1011‑1026. https://doi.org/10.1080/095006900416884
  • Kapitza, P. L. (1951). Dynamic stability of a pendulum with an oscillating point of suspension. Journal of experimental and theoretical physics, 21(5), 588‑597.
  • Krieger, M. S. (2017). Interfacial fluid instabilities and Kapitsa pendula. The European Physical Journal E, 40(7), 67. https://doi.org/10.1140/epje/i2017-11556-x
  • Martinand, J.-L. (Dir.) (1992). Enseignement et apprentissage de la modélisation en sciences. Paris, INRP
  • Martinand, J. L. (1996). Introduction à la modélisation. Actes du séminaire de didactique des disciplines technologiques., Cachan  Paris | . pdf
  • Martinand, J. L. (2010). Schémas didactiques pour la modélisation en sciences et technologies. Spectre, 40, 1, 20‑24. intranet.pdf
  • Schwarz, C., Reiser, B. J., Davis, E. A., Kenyon, L., Achér, A., Fortus, D., Shwartz, Y., Hug, B., & Krajcik, J. (2009). Developing a learning progression for scientific modeling : Making scientific modeling accessible and meaningful for learners. Journal of Research in Science Teaching, 46(6), 632‑654. https://doi.org/10.1002/tea.20311
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Colloque Wright 2020 : l'art et les maths

Introduction

Les maths, pour certaines personnes une discipline stimulante, un jeu mental passionnant, pour d'autres un monde complexe, opaque et difficile d'accès. Toutefois, quelle qu'en soit notre perception, les mathématiques fascinent. Discipline fondamentale, à l'interface des sciences naturelles, de la philosophie et des arts, les mathématiques se devaient d'avoir leur place dans les Colloques Wright pour la science.

En apprenant la table de multiplication ou en dessinant des triangles durant les cours de géométrie à l’école primaire, on peut parfois avoir l’impression que les mathématiques sont une matière ancienne dont le développement se serait achevé il y a des siècles. Toutefois, rien n’est plus faux que de croire que les connaissances en mathématiques sont gravées dans le marbre et que la tâche du mathématicien ou de la mathématicienne se limite à les dévoiler et à les appliquer à nos besoins.

Les mathématiques modernes représentent au contraire un domaine de recherche vaste, riche et vivant qui se développe aussi bien dans le monde universitaire que dans l’industrie. Parmi les découvertes récentes les plus passionnantes et les questions en suspens les plus prometteuses, nombreuses sont celles qui conservent un lien fort avec le monde réel.

Peut-on, par exemple, trouver de l’ordre dans le chaos et quels sont les bons outils pour l’étudier? De tels outils sont cruciaux pour de nombreux domaines appliqués. Ils permettent notamment d’obtenir les prédictions météorologiques les plus fines.
Lire la suite…

Conférences publiques 

Les conférences sont gratuites, sur inscriptions ici.
Elles se dérouleront à Uni Dufour mais seront également diffusées en direct en ligne sur cette page.
 
Le chaos: imprévisible mais compréhensible
Le chaos: imprévisible mais compréhensible

2 novembre 2020 - 18:30

Etienne Ghys

Directeur de recherche au CNRS,
Professeur à l’École normale supérieure de Lyon
Secrétaire perpétuel de l’Académie des sciences de France

Plus d'informations
 

 
Le désordre, le hasard et les grands nombres
Le désordre, le hasard et les grands nombres

3 novembre 2020 - 18:30

Laure Saint-Raymond

Professeure à l’École normale supérieure de Lyon
Bôcher Memorial Prize en 2020

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lundi 12 octobre 2020

Les mutations des virus qui les rendent plus virulents : exemple d'évolution en cours

  • L'évolution : au coeur de la biologie mais contre-intuitive et si souvent communiquée de manière erronée

"Rien n'a de sens en biologie si ce n'est à la lumière de l'évolution"  (Dobzhansky, 1973). Ainsi la pandémie peut être analysée comme l'évolution du virus Sars-CoV-2 dans un milieu (les humains et leur diversité génétique, leur système immunitaire qui se modifie au contact du virus et de vaccins bientôt, leurs comportements qui changent avec les distances sociales, les masques, la désinfection des mains, …) mais aussi les mutations aléatoires du virus et celles qui sont favorisées par ce milieu.
Nous avons sous les yeux un très inquiétant exemple d'évolution où un organisme (le virus) induit des modifications de son milieu ce qui favorise plutôt certaines souches - et dans ces souches les virus porteurs de mutations ou variants plus adaptés à ce nouveau milieu où la transmission est plus difficile.
C'est aussi un exemple très intéressant d'évolution en marche, qui permet de donner encore plus de sens à l'apprentissage de la biologie,  de montrer combien elle permet de comprendre : expliquer ce qui s'est passé, anticiper ce qui pourrait se passer, contribuer aux décisions comme le  demande le PER cf ici   "identifier des questions, de développer progressivement la capacité de problématiser des situations, de mobiliser des outils et des démarches, de tirer des conclusions fondées sur des faits, notamment en vue de comprendre le monde naturel et de prendre des décisions à son propos, …"(CIIP, 2011)

Des données pour vérifier, appliquer les explications biologiques accessibles en classe

En 2020 nous avons l'opportunité d'accéder gratuitement à des données authentiques, à jour, directement issues de la recherche, accessibles en classe pour faire travailler les élèves dans des activités ou problèmes, voire pour préparer nos cours.

Cette biologie numérique (bioinformatique) est un des effets positif de la numérisation de la société (et de la science) dont chacun a pu voir les effets complexes, parfois positifs parfois négatifs dans l'enseignement à distance.
Marie-Claude Blatter du SIB a développé un atelier  Coronavirus et protéines L'atelier inclut la PCR, des alignements de séquences, un peu d'évolution et de la structure 3D avec médicament...il est très complet…

En parallèle Jump-To-Science a sélectionné pour vous des données et des réflexions qui pourraient être utiles pour aider les élèves à comprendre l'évolution - et comment la sélection de certains variants pourraient influencer la propagation du virus du COVID dans un milieu que les mesures sanitaires ont changé. 

La différenciation des souches - depuis décembre 2019 et à travers le monde à partir de Wuhan

Nextstrainnexstrain-logo compile et offre le suivi des souches du virus en fonction du lieu et du temps :


Fig 1: Les différentes souches apparues au cours du temps et leur répartition en fonction du milieu [img]. Source :https://nextstrain.org/ncov/global

On peut observer la diversification des souches en fonction du temps, et leur différenciation en fonction des régions - possiblement en fonction de différences génétiques, de comportement sanitaire etc.  On voit bien que les souches présentes ici et là ne sont pas les mêmes -  dans le temps ni dans l'espace. L'expression "le virus" donne une fausse impression d'homogénéité et renforce la conception d'une entité qui mute parfois pour échapper aux interventions de la médecine.

encourage le lecteur à aller vérifier dans le site d'origine :  ici

Des données pour discuter l'évolution en classe

Il peut être intéressant d'explorer avec les élèves la puissance explicative des modèles de l'évolution vus en classe : Discuter si ces données authentiques pourraient s'expliquer (avec les modèles de sélection naturelle vus en classe) par la sélection des souches plus adaptées au milieu différent formé par les comportements qui changent (observation des règles de distanciation, port du masque, lavage des mains, etc.), ou la génétique, ou des autres facteurs (pyramide des âges ?, … ).

Les mutations du virus SARS-CoV-2

Le virus du COVID-19 évolue relativement lentement par rapport à celui du VIH (Callaway, E. 2020) - en effet  une enzyme NSP14 répare la plupart des erreurs dans la copie de son  ARN.

Le rôle, la séquence et la structure 3D de chacune des protéines du virus ici :

Mutation-processus ou mutation-résultat?

Une difficulté pour les élèves résulte du fait que ce terme mutation désigne aussi bien les processus qui produisent un changement dans la séquence d'ADN ou d'ARN (erreurs  de copie, substances mutagènes, rayonnements ionisants,…) que le résultat de ce changement : la séquence différente - plutôt appelé variant  dans les banques de données (exemple) - et  parfois allèle dans le modèle de Mendel.

"Le virus à muté pour devenir plus virulent" (cherchez les erreurs dans cette phrase)

SARS-CoV-2 évolue à mesure qu'il se propage et des mutations ont été observées explique Callaway, E. (2020). C'est sans parler des nombreuses qui se sont produites et n'ont pas pu être détectées car résultant en un virus non fonctionnel. Il y a donc de très nombreuses mutations dans tous les SARS-CoV-2 à travers le monde. Il faut noter qu'on parle de la fréquence des mutations observées et non de toutes les mutations qui se produisent plus ou moins au hasard dans toute la séquence

Cette disparition des mutations défavorables renforce une conception fréquente : que le virus ne muterait que dans le sens de devenir plus virulent (mieux adapté à son milieu…) . Et souvent on le décrit comme ayant des intentions mauvaises et engagé dans une guerre contre la science et la médecine. Ces explications finalistes font obstacle à une compréhension des mécanismes biologiques qui permet de prédire et expliquer ce qui se passe. 

Des données sur LES mutations disponibles en classe

Pour illustrer ou faire éprouver dans des activités pour les élèves ces affirmations, on dispose de données authentiques, actuelles et accessibles en classe.

A catalogue of coronavirus            mutations: graph showing the numbers of single nucleotide            coronavirus mutations.

Fig 2: Fréquence des mutations observées en fonction de la position dans la séquence [img]. Source : Sources: L. Van Dorp et al. (http://go.nature.com/3GSRNH6); Refs 2, 11, 12; B. E. Young et al. Lancet 396, 603–611 (2020)

Même si c'est relativement lent, le SARS-CoV-2 évolue à mesure qu'il se propage. La figure 2 montre la fréquence des mutations observées en fonction de la position dans la séquence : une mutation sort très visiblement  du lot : D614G dans le gène codant pour la protéine Spike, qui aide les particules virales à pénétrer dans les cellules.
Korber, B., et al (2020) ont comparé les innombrables séquences du virus disponibles et ont vu la mutation D614G apparaître de plus en plus fréquemment dans des échantillons de personnes atteintes de COVID-19. À la position 614e de la protéine Spike, l'acide aminé aspartate (D, en sténographie biochimique) était régulièrement remplacé par la glycine (G) en raison d'un défaut de copie qui modifiait un seul nucléotide dans le code ARN de 29903 bases du virus. Les virologues ont nommé la mutation D614G. (Callaway, E. 2020)Traduction 

Une mutation change un peu la conformation de la protéine Spike par laquelle le virus s'accroche à nos cellules

Cette protéine Spike est celle par laquelle le virus  (cf. Jump-To-Science 29 Avril 2020) se fixe sur ACE2 à la surface de nos cellules.

Quel est le rôle normal de la protéine ACE2 ?

Les élèves ( ou leur enseignant.e) peuvent trouver des éléments de réponse ici :

Où  la protéine ACE2 est-elle exprimée dans le corps humain ?

Les élèves ( ou leur enseignant.e) peuvent trouver eux-même des réponses ici :

Figure 5 : Degré d'expression pour ACE2 trouvé dans proteinatlas.org

Activité proposée par le SIB mettant en évidence le rôle de la protéine Spike et la manière dont elle interagit avec ACE2 : "Comment la bioinformatique peut soutenir la recherche"

Une mutation SARS-Cov2 comme exemple d'évolution en marche

An animation showing the subunits of the coronavirus                spike protein opening, and the position of the D614G                mutation.

Fig 3: cliquer pour voir les différentes conformations  «fermées» et «ouvertes» de la protéine Spike du virus SARS-CoV-2. Cette protéine  se lie aux récepteurs des cellules humaines et permet l'entrée du virus. Une mutation fréquente (D614G cercle) semble favoriser les conformations ouvertes de la protéine, ce qui pourrait signifier que le virus peut pénétrer plus facilement dans les cellules. [img]. Source : Callaway, E. (2020).  Structural data from K. Shen & J. Luban

Une mutation qui donne aux virus qui la portent une plus grande infectiosité ?

Hou, Y. J. et al. (2020) ont analysé les effets de cette variante du gène Spike avec la mutation D614G.  Elle  semble favoriser les conformations ouvertes de la protéine Spike, et favoriserait la pénétration du virus peut pénétrer dans les cellules explique Callaway, E. (2020).


The mutation that loosens the            spike protein: graphic showing the sspike protein opening, and            the position of the D614G mutation

Fig 4: les variantes plus ouvertes de spike sont associées à une probabilité d'infection plus  grande  [img]. Source : Callaway, E. (2020).

Voir et imprimer les formes différentes de la protéine Spike avec les élèves ?

La saturation du milieu augmente la sélection

Stephen J. Gould (1977) résumait le mécanisme de l'évolution en 2 faits et une conclusion inévitable  (ici)

  • 1. Les organismes varient au hasard : ces variations sont (au moins en partie), transmises à leur descendance.
  • 2. Les organismes produisent plus de descendants qu'il n'en pourra survivre cet endroit
  • 3 . En moyenne les descendants dont les variations sont favorisées par l'environnement survivent et prolifèrent. Les variations favorables s'accumulent par conséquent dans les populations par sélection naturelle.
    Gould, S. J. (1977)Traduction personnelle
Le point deux - qui met en évidence que c'est à cause de la saturation du milieu que la pression évolutive (la sélection) opère -  pourrait bien expliquer la reproduction favorisée des variants porteurs de D614G.

Global spread:                Graph showing the global rise of the D614G coronavirus                mutation.
Fig 5: commentaire [img]. Source :
Callaway, E. (2020).

De nombreux chercheurs soupçonnent que si une mutation a aidé le virus à se propager plus rapidement, elle s'était probablement produite plus tôt, lorsque le virus a sauté pour la première fois chez l'homme ou a acquis la capacité de se transférer efficacement d'une personne à une autre explique Callaway, E. (2020).
À un moment où presque tout le monde sur la planète est sensible, il y avait probablement peu de pression évolutive sur le virus pour mieux se propager, de sorte que même les mutations potentiellement bénéfiques (au virus) pourraient ne pas proliférer. «En ce qui concerne le virus, chaque personne atteinte est un morceau de choix», déclare William Hanage, épidémiologiste à la Harvard T. H. Chan School of Public Health de Boston, Massachusetts. "Il n'y a pas de meilleur choix"

C'est intéressant de noter le discours finaliste et anthropocentré fréquent de la part du monde médical : comme si le virus avait des intentions et choisissait le meilleur repas… Or de nombreuses recherche ont montré que ces conceptions font obstacle à la compréhension approfondie que la biologie développe : cf p. ex Coley, J. D., & Tanner, K. (2015). encourage le lecteur à aller vérifier dans l'article d'origine :  ici

Comme le montre bien Gould, les mécanismes de l'évolution expliquent bien ces données par la sélection qui apparait quand on approche de la saturation du milieu- ce qui arrive très vite avec les virus à la croissance exponentielle.
Il  est rare d'observer la situation inverse, où un nouvel organisme apparait dans un milieu qui ne le limite pas et où il n'y a que peu de sélection. On pourrait voir un parallèle avec l'explosion radiative vers le début du Cambrien où
(Gould, et al, 1993) dans le magnifique livre de la vie expliquent que la concentration d'Oxygène a rendu possible des parties dures et une diversité incroyable de formes d'organismes s'est multipliée presque sans concurrence pour un temps.  

Voir aussi comment aider les élèves à contourner l'obstacle et les limites de ces explications naïves : (Potvin et al., 2015)
Voir aussi l'excellent ouvrage de Potvin, P. (2019) Faire apprendre les sciences et la technologie à l'école : Épistémologie, didactique, sciences cognitives et neurosciences au service de l'enseignant. Extraits intranet.pdf

Une formation continue :

La biologie numérique : des opportunités de mieux apprendre notamment pour des aspects difficiles pour les élèves 4 novembre Inscrivez-vous ici SEM-10708

(Les membres Jump-To-Science peuvent obtenir ces articles).

Références:

  • Callaway, E. (2020). The coronavirus is mutating—Does it matter? Nature, 585(7824), 174‑177. https://doi.org/10.1038/d41586-020-02544-6
  • CIIP. (2011). Plan d'études Romand (Mathématiques et sciences de la nature). Conférence intercantonale de l'instruction publique de la Suisse Romande et du Tessin,.
  • Coley, J. D., & Tanner, K. (2015). Relations between Intuitive Biological Thinking and Biological Misconceptions in Biology Majors and Nonmajors. CBE-Life Sciences Education, 14(1), ar8. https://doi.org/10.1187/cbe.14-06-0094
  • Corum, J., & Zimmer, C. (2020, avril 3). Bad News Wrapped in Protein : Inside the Coronavirus Genome. The New York Times. https://www.nytimes.com/interactive/2020/04/03/science/coronavirus-genome-bad-news-wrapped-in-protein.html | intranet.pdf
  • Dobzhansky, T. (1973). Nothing in biology makes sense except in the light of evolution. American Biology Teacher, 35(3), 125‑129.
  • Gould, S. J. (1977). Ever since Darwin: Norton New York.
  • Gould, S. J. et al. (1993). Le livre de la vie. Seuil
  • Hou, Y. J. et al. (2020), SARS-CoV-2 D614G Variant Exhibits Enhanced Replication ex vivo and Earlier Transmission in vivo | bioRxiv
  • Korber, B., Fischer, W., Gnanakaran, S., Yoon, H., Theiler, J., Abfalterer, W., Foley, B., Giorgi, E., Bhattacharya, T., Parker, M., Partridge, D., Evans, C., Freeman, T., de Silva, T., on behalf of the Sheffield COVID-19 Genomics Group, LaBranche, C., & Montefiori, D. (2020, avril 30). Spike mutation pipeline reveals the emergence of a more transmissible form of SARS-CoV-2. https://doi.org/10.1101/2020.04.29.069054
  • Potvin, P. (2019). Faire apprendre les sciences et la technologie à l'école : Épistémologie, didactique, sciences cognitives et neurosciences au service de l'enseignant. Presses de l'université Laval. Extraits intranet.pdf
  • Potvin, P., Sauriol, É., & Riopel, M. (2015). Experimental evidence of the superiority of the prevalence model of conceptual change over the classical models and repetition. J Res Sci Teach, 52(8), 1082‑1108. https://doi.org/10.1002/tea.21235
Mise à jour 12 X 20 : ajout d'une référence au document de M.-C. Blatter du SIB et à l'entrée Genbank