Modélisation du microbiote (résistance à la colonisation) avec le logiciel Edu’modèles

Déjà abordé au collège, le microbiote s’invite dans les programmes de lycée (avec la réforme, dès la rentrée 2019) en classe de seconde.

Relevons notamment cet objectif de connaissances : “Le microbiote intestinal a un rôle indispensable dans l’immunité et dans la digestion. ”

Et cette notion : “compétition entre microbes“.

L’activité que je propose consiste à faire modifier par l’élève un modèle existant afin qu’il puisse tester l’hypothèse suivante :

“On suppose que la résistance à la colonisation conférée par le microbiote s’explique en partie par la compétition exercée par les bactéries non pathogènes”

Bien entendu on ne partira pas du modèle pour construire cette notion, mais de cas concrets (vidéo, documents …).

Je propose ce document pour faire émerger l’hypothèse, mais tout autre document similaire ferait l’affaire :

Une fois les documents exploités (constats, interprétation), et l’hypothèse formulée, on propose à l’élève le modèle suivant (voir lien en bas de l’article) :

Etat initial du modèle

Ce modèle, simplissime, comporte 4 types d’agents :

  • des nutriments, représentés par des points noirs
  • des bactéries non pathogènes représentées par des cercles verts
  • des bactéries pathogènes représentées par des cercles rouges
  • quelques phagocytes, représentés par des carrés violets

Son fonctionnement s’appuie sur 3 règles :

  • afin de modéliser le fait qu’une bactérie ait besoin de croître avant de pouvoir se diviser, on définit la règle algorithmique suivante :
    “bactérie + nutriment => bactérie + bactérie”
  • afin de modéliser la phagocytose, on définit la règle algorithmique suivante :
    “phagocyte + bactérie pathogène => phagocyte”
  • afin de modéliser le fait que les nutriments soient renouvelés en permanence, on définit la règle algorithmique suivante: “à chaque tour il y a une probabilité qu’un nutriment apparaisse sur une case”

Si on exécute le modèle, on remarque que le nombre de bactéries pathogènes diminue au cours du temps, jusqu’à devenir nul.

Etat du modèle au bout de 4000 tours. Lest bactéries pathogènes ont disparu.

On propose alors à l’élève de vérifier son hypothèse en modifiant le modèle.

A ce stade, il est souhaitable que l’élève explicite une conséquence vérifiable qui soit testable dans ce modèle.

Par exemple : “si notre hypothèse est vraie, une réduction de l’effectif des bactéries non pathogènes réduira la compétition exercée, et entraînera une prolifération des bactéries non pathogènes”.

L’élève pourra alors tester cette hypothèse en réduisant l’effectif des bactéries non pathogènes, éventuellement jusqu’à 0.

Interface de l’agent, permettant de mettre à 0 son effectif initial

S’il lance alors le modèle, il remarquera que les bactéries pathogènes prolifèrent à une telle vitesse que les phagocytes ne peuvent plus les contrôler. Il y a infection dès lors que le nombre de bactéries pathogènes devient important.

Etat du modèle au bout de 1000 tours seulement, lorsqu’il n’y a pas de bactéries non pathogènes

L’hypothèse est donc validée, la compétition exercée par les bactéries non pathogènes explique (au moins en partie) la résistance à la colonisation par les bactéries pathogènes.

La vidéo suivante résume cette approche, et en propose une démonstration :

 

D’un point de vue méthodologique, cette activité permet une approche en douceur de la modélisation, puisque l’élève part d’un modèle existant et en modifie les paramètres. Cela lui permet de découvrir les “rouages” d’un modèle, afin, plus tard, d’être préparé à en créer lui-même.

Pour cette raison, cette activité me semble tout à fait appropriée à la classe de 2de.

Une approche plus ambitieuse consisterait à faire créer le modèle par les élèves … mais je pense que ce type d’activité est à réserver à des élèves ayant choisi la spécialité SVT en 1ère ou terminale.

Auteur : Philippe Cosentino

 

Lien ouvrant directement ce modèle dans Edumodèle : https://www.pedagogie.ac-nice.fr/svt/productions/edumodeles/algo/index.htm?modele=microbiote2bact