IgNobel Le scarabée qui prenait une bière pour sa compagne ?

IgNobel : étonnant, … mais pas si bête après tout !

The Ig® Nobel Prizes The Ig Nobel Prizes honor achievements that first make people laugh, and then make them think. The prizes are intended to celebrate the unusual, honor the imaginative — and spur people's interest in science, medicine, and technology. http://improbable.com/ig/

Dans ce genre irrévérencieux qui le caractérise – et qui peut donner aux adolescents une image moins terne de la science – le prix IgNobel a été décerné avec humour à des recherches qui font "d'abord rire, puis réfléchir".

En ce qui concerne les biosciences  les prix décernés sont :
Biologie : à Darryl Gwynne et David Rentz pour avoir découvert qu'une espèce de scarabée tentait de s'accoupler avec un certain type de bouteille de bière australienne.
Médecine : à Mirjam Tuk, Debra Trampe et Luk Warlop, ainsi qu'à Matthew Lewis, Peter Snyder et Robert Feldman, Robert Pietrzak, David Darby et Paul Maruff pour avoir démontré que l'on peut prendre, dans certains cas, de meilleures décisions lorsqu'on a un besoin urgent d'uriner, et de mauvaises décisions dans d'autres cas.Il  récompense deux recherches : l'une publié sous le titre magnifique de The effect of acute increase in urge to void on cognitive function in healthy adults par M.S. Lewis et al. qui montre qu'une envie d'uriner diminue les fonctions cognitives autant qu'une nuit blanche, et l'autre :" Inhibitory Spillover: Increased Urination Urgency Facilitates Impulse Control in Unrelated Domains^" qu'elle favorise des choix raisonnables plutôt qu'impulsifs.
On ne devrait emmener des conjoint-e-s dispendieux voir les expositions de voitures ou les bijouteries qu'avec la vessie pleine ?

Nous allons commenter un peu celui de biologie, bien que l'autre suscite aussi cette curiosité qui est un des moteurs  de la science :
" Sa grande qualité était l'aptitude à goûter l'étrangeté qui marque l'esprit des véritables chercheurs."  MORRIS, Desmond, 1980, La fête Zoologique, Calmann-Lévy

Le scarabée qui prenait une bière pour sa compagne ?

Fig 1 : Le mâle tente de s'accoupler avec le fond de la bouteille de bière, Notez en haut les pièces copulatrices sorties, et en bas la similitude du motif tacheté du fond de la bouteille avec les élytres de l'insecte.  [img]Source : GWYNN et al 

Le cas de ce scarabée (Julodimorpha bakervelli, un coléoptère Buprestidae ) qui tente de copuler avec un fond de bouteille de bière et persiste pour des heures peut être un exemple qui plaira aux ados. Par ailleurs les Buprestidae sont phytophages et souvent particulièrement beaux (cf images google) .
On peut supposer que la référence à la bière et à la maladresse sexuelle peut attiser leur intérêt. Si on arrive à diriger cette motivation vers l'étude du comportement après les rires gras, les gloussements ou les rougissements gênés.

Fig 1 : Julodimorpha bakervelli : les élytres de l'insecte ressemblent à du verre a bouteille.  [img]Source : jeans Photos  http://creativecommons.org/licenses/by-nc/2.0/deed.en
Chez cette espèce les mâles volent et recherchent les femelles qui les attendent immobiles au sol. La couleur et les petites protubérances du fond de la bouteille ressemblent aux élytres.  Les chercheurs australiens ont observé que les mâles restent indéfiniment sur les bouteilles sans même se défendre de fourmis qui les attaquent sur les parties tendres de leur parties génitales (Cf. fig 1 en bas) . Lorsque les chercheurs les ont déplacés, les mâles sont revenus vers les bouteilles. Presque tous les cul de bouteilles du secteur étaient occupés par un mâle. 
On peut envisager de l'utiliser pour illustrer le stimulus-supranormal en éthologie et montrer que ce phénomène n'existe pas seulement chez l’épinoche et les goélands  argentés.

Fig 3 :les classiques exemples de leurres pour le comportement territorial de l'épinoche mâle.  [img]Source : Ethologie.unige.ch
Les auteurs relèvent avec humour que la présence de bouteilles dans la nature pourrait perturber la reproduction de ces Buprestidae : les mâles qui restent sur une bouteille n'ont pas de descendants et que c'est une raison de plus de ne pas jeter les bouteilles dans la nature.
En somme une trop grande fascination pour la bouteille de bière ne favorise pas la sexualité...

Sources

•  Gwynne, D., & Rentz, D. (1983). Beetles on the bottle: male buprestids mistake stubbies for females (Coleoptera). Australian Journal of Entomology, 22(1), 79-80. intranet.pdf
• Site IgNobel http://improbable.com/ig/

"TOUS COBAYE... DU BIOBRICOLAGE?"

Café scientifique, le LUNDI 17 octobre 2011 à 18h30 

Musée d'histoire des sciences
(dans le Parc de la Perle du lac)
Trams 13 et 15, arrêt Butini / Bus 1, arrêt Sécheron, Parking adjacent. 
ENTRÉE LIBRE


"TOUS COBAYE... DU BIOBRICOLAGE?"

Biobricolage? La première image qui vient à l’esprit en entendant ce terme, c’est peut-être celle de Frankenstein, ou celle du biologiste de garage, tant le mot bricolage rapproche de l’idée du mal fagoté aussi bien par la forme que par l’esprit. Mais dans ce café scientifique, il sera plutôt question des modifications du vivant par différentes sciences, notamment la génétique et la biologie synthétique. Pourquoi et comment fabrique-t-on ex-nihilo des chromosomes de bactéries fonctionnels ? Quelles précautions et quels risques prend-on ? 

Que dire des raccords « bricolés » entre le vivant et l’outil électronique et informatique. Par exemple : des yeux artificiels, une chaise roulante commandée par la pensée et peut être même, mais on n’y est pas encore, des nanorobots capables d’opérer d’une tumeur. 

Si robocop est d’actualité, s’il existe presque déjà, qu’en faire ?

Affûtez vos questions, et souvenez-vous : dans le respect et la sérénité. Exit la polémique. 

Avec la participation de :

M. Bruno J. Strasser, Historien des sciences, professeur à l'Université de Genève

M. José del R. Millán, Professeur, Chaire Fondation Defitech, Centre pour les Neuroprothèses

M. Laurent Roux, Docteur en biologie, Professeur à la faculté de médecine de l'Université de Genève, département de microbiologie et de médecine moléculaire, Spécialiste en virologie.

Animation :

M. Christophe Moreau, épistémologue

Sources

• Bancs publics

Enfin un TP où les élèves peuvent explorer l'expression des gènes ?

L'expression des gènes est un concept difficile pour les élèves

Il nécessite d'abord qu'on distingue le gène de la protéine correspondante.
Ensuite il faut que l'élève comprenne que la présence du gène n'implique pas automatiquement la présence de la protéine, mais qu'une régulation détermine lesquels des gènes sont activés dans une cellule, à un moment donné.
Il lui faut aussi réussir à imaginer que cette activation est différente aussi bien dans le temps qu'à travers l'organisme, pour que l'action coordonnée des gènes dans les cellules, les tissus, les organes produisent les effets parfois visibles comme la couleur des yeux, mais souvent diffus comme la digestion, la croissance ou même l'ensemble des processus qu'on appelle la vie.
Appréhender que le fonctionnement global de l'organisme résulte (au moins en partie dirons-nous prudemment) de l'action des protéines produites dans les cellules est très certainement difficile à croire pour les élèves. Je dis bien croire, car le démontrer aux élèves est à peu près impossible, et même leur donner l'opportunité de l'éprouver au sens de De Vecchi - confronter ce qu'ils ont compris au réel - faute d'expériences ou de TP permettant d'explorer les mécanismes en jeu. L'expérimentation est donc une des méthodes qu'emploie la science pour vérifier et construire des connaissances.
Dans certains cas précis on peut faire éprouver la physiologie en mâchant du pain jusqu'à obtention d'un gout sucré et apparition d'une réaction positive au Test Fehling, par exemple.
En général quand on évoque les expériences en classe, on pense manips et éprouvettes, mais ici ils auront l'occasion de se frotter a des données authentiques pour vérifier leurs hypothèses. La différence est qu'on accède aux données par internet, ce qui est une forme d’"expérimentation" – du moins une forme de construction de connaissances publiables dans Nature et Science – de plus en plus courante à travers toute la biologie.
On aimerait avoir plus d'expériences qui permettent aux élèves de pratiquer ces allers-retours entre ce qu'ils ont compris et la réalité "si j'ai bien compris on devrait voir ceci ..." "Donc si je fais cela il devrait se passer ceci... " on obtient alors des données qui confirment ou infirment et ils peuvent construire une connaissance étayée à partir des données par un raisonnement qui justifie. Ce processus fondamental pour la science permet une construction et une progressive amélioration de leurs modèles explicatifs : c'est la modélisation. Elle nécessite à la fois des opportunités de manipuler ou d'observer et une compréhension de base du phénomène. Assez pour se poser des questions et les comprendre
On manque singulièrement d'opportunités pour les élèves de se confronter à des données sur l'expression des gènes. Or grâce a des chercheurs de l'université de Genève entre autres, on dispose de l'atlas
complet de l'expression des gènes de l'embryon de souris en développement.

Des données authentiques librement accessible en classe !

Pendant quatre ans, huit laboratoires de recherche, dont celui du professeur Stylianos Antonarakis de la Faculté de médecine de l’Université de Genève (UNIGE), ont travaillé à la création de cet impressionnant atlas d’expression génétique, absolument unique en son genre. L’étude a été financée par l’UE à raison de douze millions
d’euros.

Fig 1 : Le logo d'Eurexpress. [img]Source : http://www.eurexpress.org/ee/
Les chercheurs se sont partagés un travail colossal, qui consistait à localiser l'expression détaillée de 18’000 gènes codants dans l’embryon de souris, à 14 jours et demi de gestation. Avec l’aide de puissants outils de robotique et d’imagerie moléculaire, ces scientifiques ont réussi ensuite à traduire leurs découvertes visuellement, comme sur des planches d’anatomie, en faisant apparaître l’expression du gène, parfaitement localisée, en bleu. Ce qui est remarquable est que les élèves peuvent disposer de données authentiques pour interagir avec par un simple accès web.

Impressionnant, mais qu'en faire en classe ?

L'examen de ces données magnifiques ne produit pas spontanément une connaissance, les élèves ont besoin d'être guidés. Là ou l'expert voit immédiatement du sens le novice ne voit rien. Il faut donner à l'élève le cadre qui lui permet de comprendre ce qu'il voit, de développer le regard "au-delà du sens commun" (Astolfi 2008).
Face à ces données nouvelles que la science produit depuis la révolution génomique, nous devons faire preuve d'imagination pour aider les élèves à comprendre la portée de ces recherches et développer ce regard qui "voit en profondeur et construit du sens"...
Pour cela il ne suffit pas de comprendre le mode d'emploi du site, ni même de connaître la logique d'organisation des données proposées il faut imaginer ce qu'on pourrait en faire en classe, à quelles questions il pourrait fournir des réponses. En somme, il faut une question qui guidera l'investigation.

La logique du site

Le site propose des coupes microscopiques sagittales de l'embryon à 14.5 dpc (days post coïtum, pour chaque gène on peut afficher une des 27 coupes sagittales de droite a gauche, et zoomer dans la coupe. De plus les structures anatomiques où le gène s'exprime ont été repérées et offrent l'accès direct aux coupes qui les montrent.

Un bref mode d'emploi

• Une aide contextuelle est disponible en cliquant l’icône .
• Parmi les 18'000 gènes étudiés, on peut choisir le gène dont on  veut visualiser l'expression en introduisant le symbole ou le nom dans "quick search for "
• Une
  liste de gènes et de leurs protéines que les élèves pourraient connaitre avec leurs symboles a été établie avec Marie-Claude Blatter de l'ISB SIB à l'université de Genève pour un autre cours, mais pourrait donner des idées aux élèves.
• Une ou plusieurs protéines apparaissent (ici la myosine). 
  Cliquer la vignette représentant une coupe (au milieu) permet d'accéder à un explorateur de coupes.
  img
  
• Le gène choisi est indiqué par son symbole. Amy1 pour l'amylase
  
• 
• On peut choisir (- et +) laquelle des coupes à travers l'épaisseur  de l'embryon (de la gauche à la droite) on veut visualiser.
  
• Un curseur permet de régler le degré de Zoom sur la coupe choisie
  
• A gauche un arbre anatomique présente les structures. Les coupes  présentant une expression forte du gène choisi sont indiquées en rouge pour faciliter leur repérage
  
• Lorsqu’une image est annotée, un code couleur indique le niveau d’expression de ce gène dans les différentes structures et ce code est conservé dans l’arbre anatomique (rouge pour forte expression, jaune pour expression modérée et bleu pour faible expression)
• La coupe elle-même apparait au centre : ici amylase 1 , section10 (presque au centre) avec une forte expression dans le pancréas qui  est bien visible en violet foncé
  

Fig 2 : La flèche indique le pancréas ou on voit bien le degré d'expression est élevé.
Il y a un artefact (une bulle) un peu plus haut à droite. [img]Source : Eurexpress

Un usage possible

Ce magnifique site peut devenir un outil dans notre palette d'enseignant une fois que nous nous construisons un usage, en imaginons les possibles dans les programmes et lui donnons du sens par rapport a nos objectifs. On devine qu'il y a un énorme potentiel en classe, mais il faut baliser quelques chemins, Bio-tremplins vous en a balisés quelques uns pour commencer.
Imaginons un usage pédagogique : faire découvrir "éprouver" aux élèves que les gènes ne s'expriment pas partout. Prenant un exemple de protéine exprimée de manière très localisée dans l'embryon, cette activité esquissée se traduit pour les élèves par la question :

• Peut-on vérifier que l'insuline est produite principalement dans le pancréas ? (Chez la souris)
  

On pourrait demander aux élèves de trouver où est exprimé le gène de l'insuline INS 2 ( il y a deux insulines chez la souris et le rat)

• On le trouve exprimé dans le pancréas section 11 solution : ici
  

Fig 3 : L'insuline s'exprime
fortement dans le pancréas. [img]Source : Eurexpress

La localisation de l'hémoglobine

Destinée a faire découvrir "éprouver" aux élèves que certaines protéines sont exprimée de manière très large dans l'embryon, cette activité esquissée se traduit pour les élèves par la question :

• Peut-on trouver où l'hémoglobine est produite ? (Chez l'embryon de souris)

On choisit Hbb-b1 (symbole de l'hémoglobine bêta "hemoglobin, beta adult major chain")

• Solution  ici on trouve qu'elle est exprimée un peu partout dans  l'embryon
  

Fig 4 : L'hémoglobine peu partout dans l'embryon . [img]Source : Eurexpress

La myosine : où y a-t-il déjà des muscles dans l'embryon ?

Dans les deux exemples l'expression était presque unique ou quasi-partout. Un exemple qui contraste par son expression liée à un tissus mais à plusieurs endroits de l'organisme est la Myosine (codée Myh3) exprimée dans les cellules musculaires et représentative des fonctions contractiles.
Destinée faire découvrir "éprouver" aux élèves que certaines protéine sont exprimées spécifiquement dans certains tissus dans l'embryon, cette activité esquissée se traduit pour les élèves par la question :

• Peut-on trouver où la myosine est produite ? (Chez l'embryon de
  souris)

On choisit Myh3
On voit qu'elle est exprimée fortement dans de nombreux tissus comme la
langue, le coeur, etc. Selon les coupes on distingue bien une expression
différentielle.

Fig 5 : La myosine est exprimée dans de nombreux tissues Coupe 13 à gauche ou la langue et le cœur apparaissent clairement et 17 à droite ou les muscles des vertèbres sont très distincts. [img] [img]Source : Eurexpress

La localisation de l'expression de l'amylase :

Destinée à faire découvrir "éprouver" aux élèves les différentes fonctions du pancréas, ou a montrer que l'amylase est aussi produite dans le pancréas (dans le cours de physiologie) cette activité esquissée
se traduit pour les élèves par la question :

• Peut-on trouver où l'amylase est produite principalement ? (Chez  l'embryon de souris)

On choisit AMY1 (symbole du gène trouvée sur Uniprot avec une recherche sur amylase)
On voit dans le panneau de gauche que l'expression est forte (rouge) dans les coupes 7-14 dans le pancréas. C'est malencontreux que ce soit a nouveau dans le pancréas, mais on peut observer que ce ne sont pas les mêmes zones du pancréas.

• Solution ici

Fig 6 : La flèche indique le pancréas ou on voit bien le degré d'expression est élevé. Les cercles irréguliers dans l'image sont des bulles et donc des artefacts à ignorer. [img]Source : Eurexpress

Conclusion

Bio-Tremplins a balisé pour vous quelques premiers usages possibles en classe, qui pourraient s'inscrire dans les chapitres de l'embryologie, de la génétique moléculaire ou lorsqu'on veut montrer les bases
génétiques de la vie. On peut en imaginer d'autres usages en physiologie comme celui sur l'amylase. Ceux qui en auraient balisés d'autres sont bienvenus de nous les soumettre.
Ce qui est intéressant est que l'accès à ces données rend possibles des activités – des TP - ou les élèves peuvent se confronter à des données authentiques de très haute qualité, ce qui en soi peut avoir un effet
motivant en montrant que les savoirs scolaires s'appuient sur la recherche, une biologie qui bouge.
Si on les guide, c'est aussi de nouvelles opportunités pour pratiquer certains aspects de la démarche scientifique en émettant des hypothèses et en les vérifiant.

Sources et liens

• Diez-Roux, G., Banfi, S., Sultan, M., Geffers, L., Anand, S.,
  Rozado, D., et al. (2011). A
  high-resolution anatomical atlas of the transcriptome in the
  mouse embryo. PLoS Biology, 9(1), e1000582.
• Le site Eurexpress
• Une  liste de gènes et de leurs protéines établie avec Marie-Claude
  Blatter de l'ISB SIB

Remerciements

• Dr. LIN MARQ Nathalie pour ses précieuses suggestions et son aide
  dans le choix des gènes présentés.
• Marie-Claude Blatter pour son aide, les discussions, la sélection
  et le maintien de ressources avec l'ISB

Comprendre et discuter la didactique ?

La recherche en didactique ... obscure ou méconnue ?

La didactique de la biologie est perçue de manière diverse parmi les enseignants. Pour certains elle permet de comprendre ce qui se passe en classe
Un enseignant depuis 30ans, secondaire II dit : "Des années durant je me suis énervé avec des élèves qui persistaient à dessiner du sang oxygéné dans l'artère pulmonaire, puis j'ai compris que leurs conceptions faisaient obstacle et je "travaille avec pour aller contre" comme dit Giordan. Au lieu d'un frustrant travail de Sysiphe,  j'ai compris ce qui se passe et je dispose de stratégies pour les aider à changer leurs conceptions."
Pour d'autres c'est inutile. "On ne donne aux élèves que sa passion, son investissement".  "On est bon prof ou on ne l'est pas, ça ne s'apprend pas".  "Tout ça c'est du jargon inutile ..." "Y'a des articles vraiment creux en sciences de l'éducation !".

Il ne fait pas de doute pas qu'il y a des articles lamentables dans ce domaine-là aussi, comme en biologie ou en physique.
La question est plutôt comment trouver les bons. Ensuite savoir les lire, et les utiliser pour mieux comprendre ce qui se passe en classe ...

Trois exemples provocants…

• Un article qui défend l'idée surprenante qu'il faut faire parler les élèves en classe, qu'il y a même corrélation entre la prise de parole et les résultats.
  Tanner, K. D. (2009). Talking to Learn: Why Biology Students Should Be Talking in Classrooms and How to Make It Happen. CBE Life Sci Educ, 8(2), 89-94. doi: 10.1187/cbe.09-03-0021.
  Elle ne dit pas que plus il y a de brouhaha mieux c'est, mais que l'élève qui ne parle jamais apprend moins, et propose des manières de faire parler ceux qui cherchent à passer inaperçu. C'est aussi une question genre : les filles prennent moins la parole.
• Zembylas, M. (2004). Emotional Issues in Teaching Science: A Case Study of a Teacher’s Views. Research in Science Education, 34(4), 343-364. Cet article analyse comment une enseignante qui souhaitait "faire de la science" en stimulant l'enthousiasme de ses élèves a dépassé ses craintes de ne pas tout savoir, s'est libérée du carcan d'une école qui enseigne "pour les résultats aux examens standardisés", et combien le climat émotionnel dans lequel l'enseignante vit la classe est décisif, mais aussi comment elle peut le changer.
• Monnet, V. (2009).Quand le conflit aide à progresser Campus(94). Pour autant qu’elles ne soient pas associées à une menace, les divergences intellectuelles peuvent constituer un outil d’apprentissage efficace. Un ouvrage dresse la synthèse de trente ans de recherches sur le sujet | intranet.jpg

Difficile à lire ?

Comme les premiers articles que nous avons lus en biologie, c'est difficile au début, puis on acquiert une maîtrise du genre et des méthodes qui permet de transposer dans sa pratique.
Et on devient vite capable de déterminer si un article vaut la peine d'être lu à fond !
Et de prendre du recul pour discuter cette recherche, avec recul et de manière critique et constructive.

Un cours et un séminaire ouverts

L'équipe de didactique de la biologie du Prof. Bruno Strasser à l'IUFE propose un séminaire de recherche (où on apprend comment trouver, lire et comprendre les articles de recherche en didactique) un cours de didactique qui donne un cadre pour comprendre ces articles. Ces modules sont ouverts à chacun :

• Le cours avec B. Strasser et A. Mueller a lieu une semaine sur deux, le lundi, 8h30-12h, à Uni Mail, salle MS 130, dès le lundi 19 septembre. Le programme est disponible ici
• cours_didactique_2011_syllabus-strasser-muller.pdf 440k
• Le séminaire avec M.-P. Chevron et B. Strasser a lieu chaque semaine le mardi, 17h30-19h, à l'IUFE, Pavillon Mail, salle 207. 
  

• seminaire_recherche_didactique_2011_syllabus_chevron-strasser.pdf 271k  

Renseignements: bruno.strasser@unige.ch

A donner 1 m de savoirs !

 A donner 1 m linéaire de Nature et Science

Je dois faire de la place et j'ai environ 1m de haut / empilés) d'exemplaires des deux plus prestigieuses revues scientifiques :  Nature et Science (elles sons hebdomadaire / bimensuelle et le tas augmente, mais pas la place dans ma chambre...  Comme je n'arrive pas à me résoudre à les jeter simplement comme l'on semble faire dans cette société, je les offre :

Les numéros de l'an passé et d'avant sont donc à donner contre bons soins

Il faudrait venir les chercher à Hermance près Genève à un moment a convenir.

La préférence sera données à une école / bibliothèque / accès public mais s'il n'y a pas de demandes je considèrerai les demandes privées et privilégierai des enseignants et des étudiants.

Cordialement

F. Lo

La bulle qui fait branchie

La bulle qui fait branchie ?

Certaines araignées alimentent avec des bulles d'air sur leur abdomen une plus grosse bulle – comme une cloche d'air sous l'eau – où elles vivent, et Kaplan (2011) rapporte dans une News de Nature qu'une équipe de chercheurs allemands et australiens a mesuré les concentrations d'O₂ autour et dans la bulle pour conclure que l'O₂ qui diffuse vers l'intérieur suffist pour assurer les besoins de l'animal au repos. L'araignée supporte apparemment des concentrations d'O₂ faibles. Elle prolonge ainsi très fortement ses plongées et semble utiliser cette cloche comme organe respiratoire principal : une sorte de branchie extra-corporelle.

Un mode de respiration de plus ?

On connait la respiration pulmonaire et branchiale, les poumons à feuillet des arachnides, et sans doute encore quelques autres formes de respiration, sans compter la respiration par diffusion chez de nombreux animaux. On connait d'autres arthropodes qui utilisent une bulle d'air pour respirer dans l'eau. Mais Argyroneta aquatica, qui passe la quasi-totalité de sa vie sous l'eau dans cette bulle, est encore un cas différent. Son abdomen muni de poils hydrophobes (fig 2a) capture une bulle d'air à la surface et l'apporte vers une sorte de cloche de plongée : une plus grosse bulle qui est maintenue par une toile tissée entre des plantes (fig 2b) et ouverte vers en bas. Elle en renouvelle l'air 2.6 fois par heure environ. Elle se nourrit d'invertébrés aquatiques et de petits poissons (Fig 1)

Fig 1 : Argyroneta aquatica utilise sa bulle comme organe d'échange pas seulement comme réserve.  [img]Source : Oxford Scientific/Photolibrary.

Les élèves sont souvent perplexes quant à l'intérêt sur l'usage de l'air et cette bulle par rapport aux branchies qui paraissent plus adaptées dans l'eau.

Les contraintes physico-chimiques de la respiration

Règle 1 : Plus la concentration d’un gaz dans l’environnement est élevée par rapport à celle du milieu intérieur d’un organisme, plus le gaz se répandra rapidement dans l’organisme Deux faits biologiquement importants découlent de la diffusion des gaz en fonction d’un gradient de concentration : premièrement, la concentration d’un gaz à l’intérieur d’une cellule en activité métabolique doit être inférieure à celle de l’environnement dans lequel il est absorbé passivement. Deuxièmement, les organismes qui vivent dans des habitats où un gaz est en concentration élevée doivent maintenir un taux de diffusion élevé de ce gaz à l’intérieur du corps. Règle 2 : Plus la surface disponible pour la diffusion est grande, plus le gaz se répandra rapidement Le rapport entre la surface et le taux de diffusion a deux conséquences biologiques importantes. Premièrement, les organismes unicellulaires ainsi que les petits organismes pluricellulaires présentent un rapport surface/volume plus élevé comparé aux organismes plus grands. Deuxièmement, les grands organismes pluricellulaires dépendent de structures spécialisées dans l’échange gazeux qui optimisent la superficie d’échange. Les poumons humains, les espaces aériens intercellulaires des plantes et les branchies des animaux aquatiques sont des exemples de ces structures Règle 3 : Plus la distance qu’un gaz doit parcourir est courte, plus la diffusion de gaz disponible pour l’organisme peut être rapide Cain (2006) p 471 - 3

Les principes qui régissent les échanges gazeux, et qui contraignent les très différentes structure respiratoires, sont décrits en trois règles par Cain (2006) dans son ouvrage "Découvrir la biologie"

On y trouve aussi p. 473 que le pourcentage d'O₂ dans l'air est bien plus élevé  (21%) que dans l'eau ( 0.5-1% selon la T°).  Et que la diffusion est bien plus rapide dans l'air.
" En plus de ces différences quantitatives d’O₂ et de CO₂ entre l’air et l’eau, une différence dans le mécanisme de diffusion gazeux existe également entre ces 2 environnements. L’oxygène et le gaz carbonique se répandent plusieurs milliers de fois plus lentement dans l’eau que dans l’air." p. 473.
Ainsi les organismes très actifs et grands dans l'eau doivent avoir de très grandes surfaces d'échange respiratoire : Cain mentionne que la surface des branchies du maquereau nageur rapide fait 50 fois son poids. Alors que chez les baudroies qui nagent lentement ce ratio n'est que de 1. Je présume que le Thon doit avoir un ratio énorme. Et on sait que les petits organismes - notamment unicellulaire - n'ont pas besoin de structures spécialisées car chaque partie de leur organisme est très près de la surface (Règle 3).

Cela explique, en partie, que certains organismes aquatiques comme les dauphins vont respirer dans l'air, et cela donne du sens au fait que certains organismes combinent une respiration à partir de l'air avec un supplément à partir de l'eau.
L'araignée est de taille intermédiaire, et quand même assez active. Comment respire-t-elle dans l'eau avec sa cloche ?

Cette bulle : une réserve ou une sorte de "branchie" ?

On sait, depuis longtemps, que certaines araignées emportent une bulle avec elles sous l'eau pour respirer. Mais un débat entre spécialistes ne permettait pas de déterminer s'il s'agissait d'une simple réserve, qu'elle renouvelle une fois l'O₂ épuisé ou si les échanges gazeux de cette "cloche" constituent une part importante de la respiration. En d'autres termes : respire-t-elle de l'air stocké dans la cloche ou de l'oxygène diffusé depuis l'eau dans cette cloche.
On savait aussi que les bulles de certains insectes absorbent l'O₂ leur permettant d'obtenir bien plus d'O₂ que ce qu'il y a avait dans la cloche au départ. La question de savoir si les araignées profitent aussi de cet effet n'était pas étayée par des données et toutes les hypothèses s'afrontaient.

La News ne le dit pas, mais l'article dont elle est issue est bien plus clair sur les méthodes les présupposés : le coeur de la question est la pression partielle d'O₂ que l'araignée arrive a supporter : plus elle est faible par rapport à l'extérieur ( P_O2out–P_O2in ) plus vite l'O₂ diffusera vers l'intérieur. En effet les transferts de gaz à travers la surface de la bulle peuvent être modélisé avec l'équation de Fick de diffusion, , où est le taux de transfert  d'oxygène  (μmol h^–1), G_O2 est la conductance diffusive d'O₂  (μmol h^–1 kPa^–1) et P_O2out–P_O2in la différence de pression partielle d'Oxygène  P_O2 (kPa) entre l'eau et l'air interne à la cloche.

Fig 2 : Argyroneta aquatica apporte des bulles depuis la surface avec son abdomen (a) et utilise sa bulle -cloche (b) comme organe d'échange pas seulement comme réserve. La cloche peut être petite (b) ou plus grande et accueillir la femelle et le cocon (d) .  [img]Source :Seymour, R. S. and Hetz, S. K. (2011)

Dans cette étude, Seymour, R. S. & Hetz, 2011) montrent que l'araignée, Argyroneta aquatica, utilise une cloche d'air comme branchie : non seulement elle y stocke de l'air comme réserve d'O₂ mais aussi comme surface d'échange, ce que les auteurs appellent une sorte de branchie.

Seymour et Hetz ont étudié des araignées Argyroneta aquatica capturées en Allemagne et installées dans des aquariums (les pédants diront aquaria ?).
Avec des sondes à oxygène, ils ont mesuré la pression partielle d'O₂ dans les bulles-cloches et à 5-10 mm plus loin dans l'eau et ceci en présence  de l'araignée ou en son absence. A partir du volume d'air de la bulle-cloche et les variations d’Oxygène, ils ont pu mesurer combien d'O₂ entrait et combien était consommé par l'araignée.
Ils ont trouvé que la pression partielle était inférieure à l'intérieur et que les flux d'O₂ suffisaient à alimenter l'araignée au repos en tous cas même dans des milieux stagnants et à température élevée (25-31°).  Cependant la bulle doit être réalimentée car l'azote disparait peu à peu en se dissolvant dans l'eau, cela expliquerait les apports d'air réguliers.

This study demonstrates that the diving bell of A. aquatica functions as a physical gill, exchanging enough O₂ from the water to satisfy the requirements of resting spiders at least, even at high temperature and in stagnant water. Frequent replenishment with air from the surface is necessary only in severely hypoxic water or in exceptionally small bells. Bell size is highly variable and can be adaptively matched to ambient P_O2 and metabolic demand to minimize trips to the surface, an objective with considerable ecological significance. However, replenishment is necessary over longer terms because of N₂ loss from the diving bell.

Les araignées ont montré une remarquable tolérance à l'hypoxie : elles en remontaient chercher une nouvelle bulle à la surface qu'à 10-20% de la pression partielle de l'O2 de l'atmosphère.
Par comparaison, "la plupart des insectes ne paraissent pas à l'aise au-dessous de 4 ou 5 kilopascals d'O₂" explique l'entomologiste John Terblanche de la  Stellenbosch University in South Africa, "mais ces araignées descendent à 1 ou 2 kPa sans signes de détresse visible." Il présume que l'araignée dispose d'adaptations remarquables pour supporter l'hypoxie. Ces capacités d'adaptation mériteraient d'être étudiées.

Et le CO2 ?

Dans la news on peut être surpris que la discussion porte sur l'O₂seulement, et pas sur le CO₂ qu'il est probablement aussi tout important d'éliminer. D'autant plus que cela renforce une erreur fréquente chez les élèves (20% selon le projet 2061 du AAAS ) qui ne voient que l'oxygène dans la respiration.
Là aussi l'article d'origine (Seymour, et al (2011) ici)  expliquent que le CO₂ est ignoré car il est rapidement dissous dans l'eau et n'intervient pas dans les volumes mesurés.
Ils mentionnent aussi des études qui montrent qu'ajouter du CO₂ dans la cloche déclenche chez l'araignée le renouvellement de l'air en allant chercher des bulles à la surface, mais pas l'O_2. Je présume qu'elle est donc sensible à l’hypercapnie (excès CO₂) plus qu'à l'hypoxie comme nous.

Comprendre vraiment sans lire l'article d'origine ?

On voit combien la seule lecture de la News ne donne guère que la conclusion, sans présenter les enjeux de la question, ni les méthodes de mesure, ni les incertitudes, et tout le contexte qui permet  de se construire une connaissance qui ait de l'épaisseur.  Savoir que  "L'araignée respire par sa cloche " c'est intéressant, mais un peu plat, sans saveur. N'est-ce pas plus goûteux de comprendre un peu plus en profondeur de donner de l'épaisseur à sa connaissance ? Peut-être avez-vous eu ce plaisir en lisant cette publication et l'article ...

Mais alors aider les élèves à découvrir et  prendre goût à comprendre, est-ce comme former le goût alimentaire  : il faut le développer, les accompagner, pas seulement les laisser se contenter du McDo facile qu'ils préfèrent au début ? 
... ce sera le mot de la faim

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Sources

• Cain, M. L., Damman, H., Lue, R. A., & Yoon, C. C. (2006). Découvrir la biologie. Bruxelles: De Boeck.
• Kaplan, Matt (2011)  Underwater spiders use webs as 'gills'|Nature News9 June 2011 | doi:10.1038/news.2011.357
  
• Seymour, R. S. and Hetz, S. K. (2011)  The diving bell and the spider: the physical gill of Argyroneta aquatica  J. Exp. Biol. 214, 2175-2181 (2011). doi: 10.1242/​jeb.056093 | Extraits intranet.pdf

Expériment@l, des données authentiques, 3 éclairages!

Les doigts fripés : comme des pneus pluie?

Les doigts fripés : une question d'élèves difficile ?

Il nous est tous arrivé de se demander - ou qu'un élève nous demande - pourquoi les doigts deviennent fripés dans l'eau. Une première hypothèse est qu'il s'agirait d'osmose.  Mais alors je me demande pourquoi le même effet dans l'eau douce hypotonique et dans l'eau de mer hypertonique ?  On devrait avoir un gonflement dans l'eau douce, or cet effet de crêtes et vallées évoque plutôt un dégonflement... Et pourquoi seulement les doigts et les pieds ? Dans une news de Nature, Yong, Ed (ici)  présente une hypothèse selon laquelle ces plis seraient activement produits sous le contrôle du système nerveux pour mieux évacuer l'eau lorsqu'on saisit un objet dans l'eau : un peu comme les profils des pneus pluie.

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Fig 1 : Comme des pneus pluie, les doigts deviennent fripés pour mieux évacuer l'eau. 

Changizi & al. 2011 (ici), a étudié  les causes de ce mécanisme,  et il est tombés sur des recherches des années 30 qui montrent que si les nerfs sympathiques sont coupés par une blessure ou inactivés, ou si la vasoconstriciton est empêchée, la réaction ne se produit pas. Cela constitue même un test de l'intégrité du système nerveux (Tindall A, et al., 2006) Changizi précise aussi que nous partageons ces doigts fripés avec les autres primates. Il  a aussi observé de nombreux profils de doigts fripés (Cf. fig 2) et noté qu'ils dessinent une sorte d'arborescence peu ramifiée ou plutôt d'étoile déformée partant du point d'appui du doigt, s'écartant dans le sens proximal.

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Fig 2 : Les "fripures" dessinent une sorte d'arborescence ou d'étoile déformée depuis le point d'appui du doigt, s'écartant dans le sens proximal. Source : Changizi, M., Weber, R., Kotecha, R. & Palazzo, J. (2011) 

Il écrit que ces arborescences correspondent au profil de drainage optimal pour l'évacuation de l'eau depuis le point du doigt où la pression est maximale ( cf fig 3c).

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Fig 3  : Les crêtes et vallées géographiques des montagnes et des bassins versants (a, b,d) dessinent un profil de drainage  correspondent bien au profil des doigts : il serait optimal pour l'évacuation de l'eau depuis le bout du doigt où la pression est maximale (c) Source : Changizi, M., Weber, R., Kotecha, R. & Palazzo, J. (2011)

Il observe que les crêtes et vallées géographiques (Cf. fig 3 a, b,d) dessinent un profil de drainage  similaires au profil des doigts et il défend l'idée que cela constitue un profil de drainage optimal pour l'évacuation de l'eau depuis les points où la pression est maximale (c). Il propose que ce profil ait été favorisé dans l'évolution pour évacuer l'eau lorsqu'on saisit des objets dans l'eau ou avec les doigts mouillés, un peu comme les pneus pluie qui évacuent l'eau par les cotés. Il note même que ce système pourrait être supérieur aux pneus puisqu'une fois l'eau évacuée toute la surface de la peau est en contact avec le substrat alors que les crêtes du pneu maintiennent une partie de la surface du pneu loin de la route et réduisent la surface d'adhérence. (C'est pour cela que par temps sec les pneus de compétition "Slick" sont lisses comme le pneu de gauche de la fig 1). Il défend son hypothèse en précisant que le temps pour que les doigts soient fripés (~5 minutes) est bien compatible avec son hypothèse : la réaction n'apparait pas lors d'un bref contact avec de l'eau (lors de la boisson, ou en mangeant un fruit qui dégouline par exemple) mais lors de conditions humides durables ou il peut aider a prévenir le glissement. Le mécanisme apparait aussi plus vite dans des conditions hypotoniques qui ont celles que nos ancêtres primates ont rencontrées (rosée, pluie). Enfin et surtout le fait que les seules parties du corps qui se fripent  soient les doigts et les pieds plaide fortement pour son hypothèse.

Pas une "vérité scientifique" mais un vrai débat scientifique !

Cette hypothèse est intéressante : elle propose un nouveau modèle pour expliquer les données. Elle étaye et argumente son affirmation, qui reste interrogative : le titre de l'article est "Are Wet-Induced Wrinkled Fingers Primate Rain Treads? " Cet article lance donc un débat, dans la littérature scientifique et les conférences – c'est le processus de la science.  Après pas mal d'échanges peut-être qu'un consensus s'établira. Ce débat peut être tortueux, ne rêvons pas, il est pollué par les enjeux sociaux, moraux, politiques qui font que les humains le sont, mais à la longue, la connaissance progresse. On a fini par accepter que la terre tourne autour du soleil. Ainsi le débat s'envenime puis se calme quand l'idée est acceptée par les scientifiques : le grand public l'appellera "vérité" jusqu'à ce que de nouvelles données relancent le débat. La News de Nature nous fait part de quelques bribes de ce débat : Un contre argument :  Xi Chen, un ingénieur en biomécanique de la Columbia University in New York dit que c'est un simple problème mécanique : quand les doigts sont immergés dans l'eau chaude, les vaisseaux se contractent et le tissus se rétrécit par rapport à la peau qui la recouvre et la fait se friper. Le neurochirurgien Ching-Hua Hsieh du Chang Gung Memorial Hospital à Kaohsiung, Taiwan rétorque que cette contre-hypothèse n'explique pas que les doigts se fripent aussi dans l'eau froide, ni que l'absence d'arrivée de sang prévienne le "fripage".

Et nous aussi on a le droit de débattre ?

Allez, je donne l'exemple et j'ajoute ma petite contribution au débat : quand Changizi évoque la supériorité des doigts fripés par rapport aux pneus pluie, je pense que cet argument ne prend pas en compte la vitesse : c'est peut-être optimal pour les doigts de s'aplatir pour adhérer plus, mais pour un pneu à 120km/h je ne pense pas que la peau aurait le temps de coller au goudron après avoir évacué l'eau. Les constructeurs de pneus ont sûrement étudié ce point-là... Enfin je pense. Et vous ?

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Durant ce temps Changizi a naturellement commencé des expériences pour "le test ultime" de son hypothèse : explorer si les doigts fripés agrippent mieux dans les conditions mouillées.  C'est vrai que son article était faible pour ce qui est du test de son hypothèse : elle est bien construite, mais les expériences pour la mettre en défaut manquent. Ses premiers résultats sont encourageants : "The results thus far suggest that, yes, being pruney helps."  Ces résultats seront sans doute publiés un jour, puis discutés et critiqués bien sûr ! Pour le moment il n'y a pas de certitude : on peut croire ou non, mais la connaissance scientifique reste incertaine par définition susceptible de changer avec de nouvelles données. Il y a donc débat. Nous pouvons le suivre, ou lancer nos neurones avec délice sur les pistes ouvertes par cet article.  Et peut-être ceux de nos élèves ? Cet article pose un problème qui permet d'envisager des expériences qu'on pourrait faire en classe : tester le temps d'apparition des doigts fripés, vérifier si la concentration en sel de l'eau a un effet, si la température a un effet sur la vitesse d'apparition ? Et bien sûr si l'effet d'adhérence accrue se confirme. 

Sur un plan éducatif, une question qui "titille" : une question féconde ?

C'est une belle question : si on prend la peine d'aider les élèves à  comprendre le problème elle peut lancer une investigation : elle est ouverte, féconde, permet d'explorer plus spécifiquement l'osmose, ou la régulation de l'irrigation, le système nerveux végétatif, les parentés évolutives entre primates,  etc.

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C'est aussi une façon de montrer aux élèves la science non pas comme une somme de vérités définitives à connaître mais comme un processus : Une manière de valider, basé sur des données, par l'argumentation. Une science qui trébuche peut-être, mais avance ! Une science ou on accepte qu'il n'y a pas de certitude définitive. Et donner aux élèves la chance de déguster la saveur de connaître scientifiquement : d'argumenter et de discuter eux-mêmes, si on leur fournit les données, un peu de cadre et d'encouragement et pas seulement les conclusions...  Apprendre à décider sur la base des faits et des  éléments du débat, accepter les incertitude c'est aussi mûrir et devenir citoyen responsable.
 
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Ils sont indiqués ci-dessous et le numéro de référence doi: permet de les retrouver

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• Comment  Obtenir un article mentionné : Get-a-doi

Sources

• Changizi, M., Weber, R., Kotecha, R. & Palazzo, J. (2011), Are Wet-Induced Wrinkled Fingers Primate Rain Treads?  Brain Behav. Evol. doi:10.1159/000328223 (notez que celui-ci ne marche pas à l'heure ou j'écris ces lignes, je l'ai signalé il sera réparé je pense)| par contre voici l'article ici pdf
• Tindall A, Dawood R, Povlsen B (2006): Case of the month: the skin wrinkle test – a simple nerve injury test for paediatric and uncooperative patients. Emerg Med J 23:883–886. doi:10.1136/emj.2005.031377
• Yong, Ed. (2011), Pruney fingers grip better, Nature News, 28 June 2011; | doi:10.1038/news.2011.38

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4èmes Journées de microbiologie Lundi 12 et mardi 13 septembre 2011

Un évènement qui ne manquera pas d'intéresser de nombreux lecteurs des Bio-Tremplins :

Un événement à ne pas manquer !

Programme des journées

LES MICROBES: MENACE OU ESPOIR

Le mot « microbes » évoque souvent des organismes invisibles dont nous devons nous protéger et nous débarrasser à coup d’antibiotiques et de désinfectants. Mais que savons-nous vraiment de ces micro-organismes ? Pourquoi les chercheurs s’y intéressent-ils ? Sont-ils tous néfastes ? Certains auraient-ils un potentiel bénéfique? La    4e    édition    des    journées    de microbiologie sera consacrée à la diversité microbienne. Les 12 et 13 septembre prochains petits et grands pourront ainsi venir découvrir ce monde fascinant de l’infiniment petit. Deux conférences publiques mettront à l’honneur les micro-organismes de l’extrême et le monde fascinant des virus mangeurs de bactéries. Pour les écoles, un programme adapté à chaque degré sera proposé, entre 8h30 et 16h00. Par ailleurs, des visites de laboratoires seront organisées pour le grand public en fin de journée, sur inscription. Pour les écoles – d Les organisateurs : Pr Jacques Schrenzel (Hôpitaux universitaires de Genève) Pr Patrick Linder (Faculté de médecine, Université de Genève) Dr Karl Perron (Faculté des sciences, Université de Genève)

PROGRAMME PROVISOIRE

Conférences - 18h30

• Lundi : « Archae, les microbes de l’extrême » Par le Professeur Patrick Forterre de l’Institut Pasteur
• Mardi : « les bactériophages, des virus dévoreurs de bactéries » Par le Professeur Dominique Belin de la Faculté de Médecine Visites de laboratoire – 17h30 à 18h15 Visites de laboratoires de bactériologie Sur inscription : bioutils@unige.ch Pour les écoles – de 8h30 à 16h30

Durant la journée, le CMU ouvre ses laboratoires de bactériologie aux classes en proposant des activités adaptées aux écoles primaires, cycles d’orientation et écoles du post-obligatoire. Un programme sur mesure sera mis en place avec les enseignants, qui doivent s’annoncer à bioutils@unige.ch Exemples d’activités proposées : - Atelier « Détection de bactéries dans notre environnement » - Rencontre et discussion avec un chercheur en microbiologie - Visite de laboratoire

Vos réponses au questionnaire Bio-Tremplins juin 2011

Brève analyse des réponses.

Que sont les Bio-Tremplins ? La discipline de référence biologie subit une profonde mutation, la plupart des chapitres sont transformés et les connaissances augmentent énormément : l’enseignement ne peut ignorer cette évolution. Cette publication électronique veut être un lien, un tremplin entre la recherche, l'université et les maîtres de biologie. Sans tenter de vulgariser encore une fois ce qui l'est déjà dans des revues excellentes, il s'agit de repérer les domaines en changement important pour l’enseignement, de sélectionner, de rassembler des recherches disparates sur un thème et de les mettre en perspective, mais aussi de faciliter pour les maîtres l'accès à la source des informations.   Elle veut aussi être un pas – modeste – pour mettre au point les nouvelles façons dont les connaissances se construisent dans une société en mutation, où la capacité à accéder à l'information et à les transformer en connaissances personnelles est décisive et nécessite de nouvelles compétences.

Vous avez été 38 à répondre dans le délai très court.
Cette analyse vise à dégager les éléments principaux concernant les usages et l’influence sur l’enseignement de cette publication électronique : Bio-Tremplins.

Synthèse expresse –16 juin 2011

Les Bio-Tremplins ont pris la forme de 41 publications au cours de l'année 2010-2011. Le nombre d'inscrits recevant la publication par mail a augmenté régulièrement pour atteindre le nombre réjouissant de 240 sans compter ceux qui lisent le Blog. Plus d’enseignants déclarent cette année que les Bio- Tremplins ont modifié leur façon d’enseigner.
Elles sont considérées par les répondants au sondage comme franchement utiles, lues avec assiduité et sont exploitées plutôt à travers l’activité du maître qu'en classe. Cette publication reste vue comme une source d’information pour le maître, et le tremplin vers les publications d’origine reste limité. L’offre par Expériment@l d’accéder à ces revues pourrait changer cela, mais les premiers signes sont timides. La longueur des articles paraît adaptée. Les répondants disent qu'elles stimulent leur curiosité, donnent du recul sur l'évolution de la discipline, modifient leur regard sur le biologie et leur enseignement. Les Bio-Tremplins aident à prendre conscience de la recherche à l'UniGE. Ces résultats restent globalement très stables par rapport aux années précédentes, sauf une progression de ceux qui déclarent avoir changé d’approche dans leur enseignement de certains chapitres. On peut y voir un indice que les effets à long terme d’un travail en profondeur d’évolution des enseignements se manifestent progressivement.

• L'analyse  des résultats du sondage est disponible ici
  

   Analyse-enquete-biotremplins-VI-011.pdf   

Le soutien de la DGPO à la publication a été renouvelé : elle est donc reconduite.