mercredi 19 mai 2021

Les poissons ont des écailles et les batraciens une peau lisse ... vraiment ?

Abstract

Dans l'enseignement on définit souvent les classes par la présence d'écailles notamment pour les poissons. Or des chercheurs de l'Université de Genève ont établi récemment comment ces phanères (couverture tégumentaires) ont pu évoluer au cours des temps en des formes aussi diverses que des écailles, des plaques osseuses ou une peau nue, mettant à mal les critères de classification souvent utilisés en classe.
Les poissons à nageoires rayonnées (actinoptérygiens) constituent le groupe de vertébrés le plus diversifié au monde. La majorité de ces poissons possèdent des écailles comme protection couvrant leur corps. Cependant, plusieurs lignées présentent une armure corporelle composée de plaques osseuses ou sont dépourvues de toute structure de protection. La diversité et les transitions entre les différents types de couverture de tégument n'avaient pas été étudiées auparavant dans un cadre évolutif. Pour étudier comment cette peau a évolué au fil du temps Lemopoulos & Montoya‐Burgos, (2021), ont reconstitué - à partir de nouvelles phylogénies basées sur la comparaison de séquences d'ADN -  l'évolution des structures protectrices de la peau chez les poissons, remontant jusqu'à l'ancêtre commun de tous les poissons à nageoires rayonnées, il y a plus de 420 millions d'années.
Ils ont montré que seuls des poissons qui avaient perdu leurs écailles ont ensuite pu développer une armure osseuse et que le type de protection de leur peau influençait leur choix d'habitats en eau libre ou sur le fond de la mer. Cette étude, publiée dans la revue Evolution Letters, fournit une nouvelle explication de l'incroyable diversité de cette lignée de poissons, qui comprend plus de 25 000 espèces. 
Jump-To-Science discutera les implications pédagogiques.  Juan Montoya‐Burgos a accepté de fournir à Jump-To-Science (JTS)  pour ses lecteurs des séquences permettant d'effectuer avec les élèves des alignements pour comprendre la manière dont on établit le degré de similitude entre divers espèces de nos jours. Cf plus bas une activité en classe élaborée avec cet auteur, et Marie-Claude Blatter du SIB.

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


Fig 1: Les poissons à nageoires rayonnées (actinoptétygiens) ont souvent des écailles (Squalius cephalus), ont parfois la peu nue (Ictalurus punctatus) ou munie de plaques osseuses (Pterygoplichthys multiradiatus) [img]. Source :Press release UNIGE
Fig 1: Les poissons à nageoires rayonnées (actinoptétygiens) ont souvent des écailles (Squalius cephalus), ont parfois la peu nue (Ictalurus punctatus) ou munie de plaques osseuses  (Pterygoplichthys multiradiatus) [img]. Source :Press release UNIGE

Résumé de l'impact (article d'origine commenté par JTS)

Les chercheurs étudient quelle protection tégumentaire était présente à l'origine des poissons à nageoires rayonnées et comment de nouvelles structures protectrices sont apparues et ont évolué au fil du temps.

Les chercheurs montrent qu'un tégument écaillé était le plus répandu durant l'évolution des poissons à nageoires rayonnées, mais que la perte des écailles s'est produite plusieurs fois de manière indépendante, alors que l'acquisition d'écailles à nouveau ne s'est presque jamais produite.
Cela peut être un exemple pour montrer que même les modèles simples de l'évolution vus en classe peuvent expliquer que les mutations produisent plus fréquemment des pertes de structure ou de fonction.
De plus, ils montrent que les téguments sans écailles ont très probablement conduit ces espèces à modifier leur écologie et à coloniser le plancher des océans et des plans d'eau.
Les modèles simples de l'évolution vus en classe expliquent bien que parmi les variants sans écailles celles vivant dans des milieux différents mais favorisant ces variants ont pu se reproduire avec un plus grand succès que la plupart des autres. On peut imaginer des exercices ou des questions d'évaluation en les basant sur un article scientifique récent…
Les avantages fonctionnels d'un tégument sans écailles en milieu benthique restent à démontrer, mais l'augmentation de la respiration cutanée pourrait être une explication.
On peut aider les élèves à utiliser ces modèles pour montrer que si ces variants sans écailles ont pu se reproduire avec succès dans un milieu différent comme sur le fonds des mers et des lacs c'est qu'elles avaient acquis de nouvelles capacités pour mieux vivre, se nourrir et se protéger des maladies dans ce nouveau milieu, et donc la concurrence des espèces à écailles n'y était pas très forte.
Les auteurs montrent que les plaques osseuses du tronc ont également émergé de manière indépendante plusieurs fois au cours de l'évolution des poissons à nageoires rayonnées, mais ces armures protégeant le tronc ne semblent apparaître qu'après un événement de perte des écailles. Par conséquent, si les acquisitions de plaques osseuses du tronc sont phylogénétiquement indépendantes, elles ont besoin d'un «même terreau»  pour émerger.

Pris ensemble, leurs résultats prouvent que les structures tégumentaires ont contribué à la diversification exceptionnelle des poissons à nageoires rayonnées Lemopoulos, A., & Montoya‐Burgos, J. I. (2021).  Traduction automatique révisée ( les remarques en vert sont de Jump-To-Science)
encourage le lecteur à aller vérifier dans l'article d'origine :  ici

Les méthodes qui ont permis d'établir ces conclusions


Fig 2: Reconstruction de traits ancestraux par cartographie stochastique de la présence / absence d'écailles sur un arbre phylogénétique de 11638 espèces d'Actinopterygii. Les clades rouges indiquent des taxons écaillés, tandis que la couleur bleue correspond à des taxons sans écailles. Les images correspondent aux espèces représentant des lignées présentant du TBP. [img]. Source : Lemopoulos & Montoya‐Burgos (2021).
Fig 2: Reconstruction de traits ancestraux par cartographie stochastique de la présence / absence d'écailles sur un arbre phylogénétique de 11638 espèces d'Actinopterygii. Les clades rouges indiquent des taxons écaillés, tandis que la couleur bleue correspond à des taxons sans écailles. Les images correspondent aux espèces représentant des lignées présentant du TBP.  [img]. Source : Lemopoulos & Montoya‐Burgos (2021). 

Mis ensemble leurs résultats étayent l'hypothèse que les changements de ces phanères - notamment la perte des écailles - ont permis une colonisation efficace de nouveaux milieux (le fond des mers et des lacs) et ont été un facteur important de la radiation des actinopterygiens.

Comment ils ont établi ces conclusions

Les auteurs ont étudié l'évolution des actinopterygiens en se basant  sur des arbres phylogénétiques établis en 2018 par des techniques bioinformatiques (ce que l'école appelle la biologie numérique). Ils ont cherché à voir les liens entre taxons, types de couverture tégumentaire et écologie.

Ils se sont basés sur deux phylogénies : l'une plus fine mais moins exhaustive (Hughes et al. 2018) comparant 1105 exons d'un même gène (Cfap58) présent chez toutes les lignées actinoptérygiennes (305 orthologues), et une autre (Rabosky et al. 2018) élaborée sur la base d'un alignement de 27 gènes présents chez 11'638 espèces, incluant près de la moitié des espèces actinoptérygiennes.

Juan Montoya-Burgos précise leurs  méthodes  "Pour comprendre l'évolution de la couverture tégumentaire et en particulier la transition entre les différentes structures, nous avons étudié les événements de perte d'écailles au cours de l'évolution des actinoptérygiens et abordé la relation fonctionnelle entre le phénotype sans écailles et l'écologie des poissons. De plus, nous avons examiné si l'émergence des plaques osseuses du tronc dépendait de la présence ou de l'absence d'écailles. À cette fin, nous avons utilisé deux phylogénies des actinoptérygiens récemment publiées, l'une comprenant plus de 11 600 espèces, et en utilisant la méthode de stochastic mapping et les méthodes bayésiennes, nous avons reconstruit les événements de perte d'écailles et les acquisitions de plaques osseuses sur le tronc. Pour montrer qu'après un événement de perte d'écailles, les poissons ont tendance à changer leur écologie et à adopter un mode de vie benthique, nous avons utilisé des modèles mixtes linéaires (une famille de méthodes statistiques)."
Cet exemple illustre une fois de plus la place de la bioinformatique (la biologie numérique comme on le dit au DIP) dans la biologie actuelle. Et la nécessité pour l'école de prendre en compte ces nouvelles façons de construire des savoirs.

Des données authentiques disponibles en classe 

Juan Montoya‐Burgos a sélectionné pour le projet Jump-To-Science des séquences ADN du gène Cfap58 afin de pouvoir refaire l'alignement avec les élèves. Le gène Cfap58 est un gène qui est présent à une seule copie chez toutes les espèces (single copy gene), qui montre suffisamment de variation et qui n'est pas trop difficile à aligner.
Le gène Cfap58 code pour: Cilia and flagella associated protein 58. On trouve cette protéine pour de nombreuses espèces sur Uniprot ici , même chez l'humain Q5T655
  • Un fichier texte ici qui contient les séquences ADN du gène Cfap58 de quelques poissons et du requin (groupe externe), au format FASTA (le code présent après le nom des espèces  correspond au numéro d'accession dans la banque de donnée GenBank)
  • Un fichier PDF montrant l'arbre phylogénétique que l'on obtient avec ce gène ici
Le chercheur relève que le gène Cfap58 a évolué plus rapidement chez les espèces Hippocampe et PoissonGlobe évoluent plus vite pour ce gène que chez les autres espèces).ici

Apprendre les conclusions de la science ce n'est pas faire de la science (Kuhn, 1962)

Eprouver en classe comment on construit une phylogénie par l'alignement des séquences est possible avec les  élèves  !

Des lectures pour aller plus loin  

Les rôles et les types d'écailles : 
Review sur l'évolution des écailles:
Les écailles, de la biologie aux réparations d'os, de cornée  :

"Mais alors si il n'a pas d'écailles ça peut pas être un poisson, m'dame ?!"

En effet dans l'enseignement on définit souvent les classes par la présence d'écailles (entre autres), c'est-à dire des critères discriminants comme ceux qu'on emploie dans une clé de détermination. Ce faisant on met surtout en évidence et on augmente les différences, cependant on risque que les élèves ne réalisent pas tout ce qui est en commun dans le taxon. Or la phylogénie s'est construite dans le passé par les caractères morpho-anatomiques communs récents (dérivés) et actuellement plutôt par des modèles d'évolution des séquences d'ADN ou de protéines qui reflètent aussi les liens de parentés (ou l'ascendance commune).
Là ou le biologiste voit l'extraordinaire similitude fondamentale dans le vivant, les élèves ont de la peine à voir plus loin qu'un kaléidoscope d'espèces dont la différence émerveille, mais la structure commune n'est pas perçue. Le discours sur la biodiversité renforce probablement cette idée.
C'est un problème difficile  qui a été discuté ici Tous pareils tous différents : un slogan ou des explorations en classe ? 

L'article de Lemopoulos & Montoya‐Burgos apporte un éclairage actualisé sur ces questions et fournit des données pour la discuter en classe.

Références:

  • Lemopoulos, A., & Montoya‐Burgos, J. I. (2021). From scales to armor : Scale losses and trunk bony plate gains in ray‐finned fishes. Evolution Letters, evl3.219. https://doi.org/10.1002/evl3.219
  • Hughes, L. C., Ortí, G., Huang, Y., Sun, Y., Baldwin, C. C., Thompson, A. W., Arcila, D., Betancur-R, R., Li, C., & Becker, L. (2018). Comprehensive phylogeny of ray-finned fishes (Actinopterygii) based on transcriptomic and genomic data. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(24), 6249‑6254.
  • Rabosky, D. L., Chang, J., Title, P. O., Cowman, P. F., Sallan, L., Friedman, M., Kaschner, K., Garilao, C., Near, T. J., & Coll, M. (2018). An inverse latitudinal gradient in speciation rate for marine fishes. Nature, 559(7714), 392‑395.
  Les membres Jump-To-Science peuvent obtenir ces articles

Remerciements

Ce texte a été co-écrit par Montoya‐Burgos, J. et Lombard, F.avec la précieuse aide de Marie-Claude Blatter pour les aspects Bio-Informatique


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vendredi 14 mai 2021

La nature est-elle vraiment bien faite ? Conférence G. LECOINTRE mardi 25 mai 18h30 / enseigner la physiologie sans renforcer les conceptions créationnistes

La nature est-elle vraiment bien faite ?

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Il n'est pas possible de comprendre le corps humain sans le penser dans l'évolution.

 

Dans ce corps que nous avons longtemps jugé parfait, il existe des agencements étranges qui ne s'expliquent que par l'histoire évolutive des vertébrés. Des agencements qui sont responsables de morts à chaque génération.

 

De plus, le principe de sélection naturelle et le principe généalogique, les deux piliers de l'évolution, sont entrés au sein même du corps humain. Nos cellules par exemple sont engagées dans un compromis entre coopération et compétition, deux dynamiques qui sont le fruit de la sélection naturelle. Cela a récemment révolutionné les thérapies contre le cancer.

 

Pour nous présenter ces concepts et nous faire réfléchir à notre corps dans l'évolution, nous avons le plaisir d'accueillir le professeur Guillaume Lecointre, zoologiste et systématicien au Muséum national d'histoire naturelle de Paris qui donnera une conférence en ligne intitulée:

 

La nature est-elle bien faite?

Notre corps et l'évolution

Mardi 25 mai 2021, 18h30 | En ligne

 

 

Cette conférence est organisée dans le cadre de l'exposition «Le grand bazar de l'évolution» qui se tiendra du 20 mai au 17 octobre 2021 aux Conservatoire et Jardin botaniques de Genève.

 

 

Plus d'informations
Logos

Introduction à la conférence

Cela n'est pas toujours enseigné dans les écoles, et pourtant: il n'est pas possible de comprendre le corps humain sans le penser dans l'évolution.
D'abord, parce que dans ce corps que nous avons longtemps jugé parfait, il existe des agencements étranges qui ne s'expliquent que par l'histoire évolutive des vertébrés (par exemple la forme de notre aorte). Des agencements qui sont responsables de morts à chaque génération. La «nature» n'est pas si bien faite que cela...
Ensuite, parce que depuis le début de ce siècle, le principe de sélection naturelle et le principe généalogique, les deux piliers de l'évolution, sont entrés au sein même du corps humain. On sait maintenant reconstituer la filiation de nos cellules, à tel point qu'un développement embryonnaire peut se penser comme une généalogie cellulaire. De plus ces cellules sont engagées dans un compromis entre coopération et compétition, deux dynamiques qui sont le fruit de la sélection naturelle. Cela a récemment révolutionné les thérapies contre le cancer.

Guillaume Lecointre est enseignant-chercheur et professeur du Muséum national d'histoire naturelle de Paris où il occupe les fonctions de conseiller scientifique du président. Il est double lauréat de la Société Zoologique de France (1996, 2006), Prix national 2009 du Comité Laïcité République et fait chevalier de la Légion d'honneur en 2016.

G. Lecointre a sélectionné pour JTS quelques publications :

    De plus suggère ces textes :

    • Lecointre, G. (2012). Les sciences face aux créationnismes : Ré-expliciter le contrat méthodologique des chercheurs. Quae.  pdf
    • Lecointre, G. (2008). Les dangers du créationnisme dans l'éducation. Diplomatie, 30. https://www.jstor.org/stable/26981026

    L'enseignement de la physiologie et l'anatomie : en termes évolutifs ou implicitement créationniste ?

    On emploie souvent dans l'école des explications de ce genre :
    • Le tube digestif des herbivores est plus long pour digérer l'herbe, notamment la cellulose.
    • Notre corps crée des anticorps (Ac) contre SARS-Cov2 parce que nous en avons besoin pour lutter contre la maladie.
    Même parfois dans des documents d'enseignement, nous ne citerons pas...
    Le finalisme est bien une forme de causalité, argumenteront les philosophes (Kampourakis, 2020), et la psychologie humaine interprète spontanément les actions d'autrui (et des organismes) en fonction d'intentions supposées (Aronson, et al. 2013), ce qui aggrave les conflits (Rosenberg, M.,2015), …
    Tout cela fait du sens, mais en biologie, ce n'est pas le besoin qui crée la fonction, et le paradigme explicatif de la biologie, fondé sur des explications causales objectives et moléculaires, conduit à des explications bien plus puissantes qui ont permis - par exemple de comprendre l'immunologie et produire des vaccins très efficaces très rapidement...
    Ainsi la création d'anticorps (Ac) efficaces contre le pathogène s'explique en biologie par un processus de sélection clonale (Burnet, S., 1959) où parmi une quasi infinité de cellules produisant chacune des Ac différents, ceux qui réagissent contre des antigènes du pathogène s'activent et deviennent des cellules produisant de grandes quantités d'Ac. Ainsi s'ouvre tout un champ d'explications.
    Des recherches ont confirmé la difficulté  dans la progression des étudiants que représente  ce concept crucial (Lombard & Schneider, 2013).

    La phrase célèbre de Dobzhansky, T. (1973) le résume bien "rien n'a de sens en biologie si ce n'est à la lumière de l'évolution" Trad. 

    Trop compliqué ?

    On me dira que la formulation finaliste est tellement plus simple - elle correspond à la psychologie humaine. Mais l'utiliser en classe renforce l'idée qu'une intention, "dame nature" ou une divinité ont déterminé l'anatomie et la physiologie,…
    Comment remplacer  des explications finalistes vers des réponse qui ouvrent la porte à la puissance explicative de la biologie.
    Est-il si difficile de tenter l'utilisation régulière de formulations comme :
    • Ceux qui avaient un tube plus long ont-ils eu plus de descendants ? 
    • Les vaches actuelles sont-elles les descendantes de celles qui ont un tube plus long ou plus court ? 

    Est-ce que ça peut marcher dans d'autres chapitres de la biologie ?

    Kalinowski, et al. (2013) décrivent plusieurs activités illustrant comment la sélection naturelle opère dans divers domaines : sélection sexuelle, évolution moléculaire, évolution de caractères complexes,évolution du comportement.  " Pre- and post-instruction testing showed students' understanding of natural selection increased substantially after completing this series of learning activities. Testing throughout this unit showed steadily increasing student understanding, and surveys indicated students enjoyed the activities."

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

    Références:


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     De Montessori, Freinet et Piaget aux sciences cognitives : des clés pour un bon usage des neurosciences à l’école

    Archives Jean Piaget | Séminaire interdisciplinaire | 2021 Recherches et applications pédagogiques

    La Fondation Archives Jean Piaget organise, dans le cadre de ses missions scientifiques, un séminaire interdisciplinaire où des spécialistes sont invités à aborder, sous l’angle de leur discipline respective, une question relevant des thématiques qui furent celle de l’oeuvre de Piaget. La règle du jeu veut que chaque orateur mette en perspective l’approche contemporaine de sa discipline ou spécialité avec celle développée par Piaget afin d’en souligner les points communs et les divergences.

    Mercredi 26 mai 18.15-19.45 par zoom
    De Montessori, Freinet et Piaget aux sciences cognitives : des clés pour un bon usage des neurosciences à l’école
    par Olivier Houdé, Professeur, Université Paris-Descartes.

    Résumé de la conférence

    Etre réellement du côté de Locke, Rousseau, Itard, Séguin, Montessori, Freinet et Piaget aujourd’hui, en ce début de XXIè siècle, c’est s’intéresser sérieusement aux neurosciences. Piaget ne disait-il pas que la construction de l’intelligence chez l’enfant est la forme optimale de l’adaptation biologique ? Il faut donc faire l’effort, pour les chercheurs en psychologie du développement et en sciences de l’éducation, d’utiliser conjointement les technologies de la psychologie expérimentale et de l’imagerie cérébrale, avec la participation des enfants et professeurs volontaires des écoles, pour mieux comprendre le cerveau qui apprend, un cerveau dans un corps (Berthoz), en contexte social et culturel (Vygotski, Bruner). Non pas pour que la science fasse la classe, ni pour imposer les sciences cognitives et les neurosciences à l’école de façon autoritaire (Dehaene), mais plutôt pour des allers-retours féconds, par tâtonnement expérimental, collaboratif, comme l’aurait dit Freinet, du laboratoire à la classe. C’est s’intéresser au cerveau de l’enfant, cet « organe devenu visible », comme Montessori préconisait de s’intéresser à son âme !

    La conférence en donnera quelques exemples.

    Lecture proposée : Houdé, O. (2018). Introduction. L’école du cerveau. Mardaga
    Le lien de connexion Zoom pour tous les séminaires est : https://unige.zoom.us/j/94044480963
    Les horaires du séminaire restent inchangés: 18.15-19.45.

    Mai au Musée d’Histoire des Sciences  : le son à l’honneur dans une nouvelle exposition
    Toute l'équipe du Musée d'histoire des sciences a le plaisir de vous annoncer l'ouverture de sa prochaine exposition temporaire

    Ecoute voir
    dès le 12 mai

    Les sons nous environnent, nous accompagnent au quotidien, mais au fait, qu’est-ce qu’un son?
    Cette exposition joyeusement interactive vous emmène à la découverte de ce phénomène physique et du monde merveilleux des ondes…
    En route !
    Pour en savoir plus

    Vous êtes conviés à son vernissage en ligne pendant lequel l'ensemble Batida viendra jouer un morceau en direct
    mardi 11 mai à 17h
    en se connectant sur la page facebook du Muséum ou en passant par la page web du Muséum
     

    Des articles passionnant sur les coulisses du musée et ses instruments à retrouver sur le blog  "Du côté du MHS"

    Plongée dans le monde infini
    des fractales

     

    Exposition interactive à la SEU

    Du 16 mai au 30 juillet 2021

     

     

    Participez à la construction d'une fractale géante en 3D

    Qu'est-ce qu'une fractale?
    Ça sert à quelque chose?
    Peut-on en fabriquer soi-même?
    C'est de l'art ou c'est des maths?
    Les maths, ce ne sont pas que des calculs?

    Pour avoir des réponses à toutes ces questions, venez découvrir notre exposition interactive. À l’aide de six cartes de visites, chaque visiteur/euse construit un cube et l'incorpore à la plus grande fractale de Suisse.

    Mode d'emploi

    Matériel nécessaire: 6 cartes de visite (85 x 55 mm)

    Plus d'informations

    Qu’est-ce qu’une fractale? Est-ce que ça sert à quelque chose? Peut-on en fabriquer soi-même? Est-ce de l’art ou des mathématiques? Pour répondre à ces questions, la Salle d’exposition de l’Université de Genève (SEU) organise, du 16 mai au 30 juillet 2021, une exposition ouverte à toutes et tous. À l’aide de six cartes de visite, chaque participant-e pourra construire un cube et l’incorporer à la première fractale en 3D de Suisse – soit un objet mathématique présentant une structure similaire à toutes les échelles. Un projet interactif de grande envergure!


     

    L’originalité de l’exposition consiste en la construction collective d’une éponge de Menger de 2m3 constituée de 48’000 cartes de visite. Le résultat final dévoilera une fractale. Comment procéder? Six cartes de visite permettent de construire un cube. Vingt de ces cubes assemblés forment une éponge de Menger de niveau 1. Quatre cent éponges de niveau 1 sont nécessaire pour la construction d’une éponge de niveau 3. Les écoles et leurs élèves sont invité-es à construire des éponges de niveau 1 en classe et à l’amener à la salle dès le 16 mai. Retrouvez plus d’informations ici.

     

    Dès l’ouverture des portes de l'exposition, le dimanche 16 mai de 14h à 18h, les personnes ayant construit une éponge de Menger peuvent l’amener à la SEU, visiter l’exposition et construire des cubes supplémentaires. Les autres visiteurs/euses pourront, quant à eux, construire une éponge directement sur place, en plus de la visite. Le 30 juillet, date de la fin de l’exposition, la plus grande fractale en 3D de Suisse sera construite grâce au travail de chacun-e des participant-es. Retrouvez plus d’informations ici.


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