TECHNOLOGIES NOUVELLES ET ÉDUCATION Sciences de la Vie et de la Terre au Lycée Activités scientifiques informatisées Visualiser - Analyser - Modéliser N. SALAMÉ (sous la direction de) Institut National de Recherche Pédagogique DEPARTEMENT TECHNOLOGIES NOUVELLES ET EDUCATION Sciences de la Vie et de la Terre Au Lycée Activités Scientifiques Informatisées Visualiser - Analyser - Modéliser (sous la direction de N. Salamé) INSTITUT NATIONAL DE RECHERCHE PEDAGOGIQUE © INRP, 1992 ISBN : 2-7342-0352-9 Préface L'évolution du Savoir universitaire conditionne celle des contenus d'enseignement des Sciences de la Vie et de la Terre, au Collège et au Lycée. Or, les progrès dans les connaissances scientifiques sont étroitement liés au perfectionnement des techniques d'investigation des phénomènes biologiques et géologiques, toujours complexes. La Recherche et l'Industrie font actuellement appel à des technologies et méthodes indirectes d'exploration et de mesure de ces phénomènes. L'ordinateur est donc le moyen d'accès aux objets étudiés, dans de nombreux domaines. En recherchant les transpositions possibles des applications de l'informatique vers l'enseignement secondaire, l'INRP ouvre une voie de renouvellement des activités pratiques et expérimentales des élèves. L'articulation entre les connaissances de base et la maîtrise des instruments informatiques représente, en effet, une nouvelle modalité de construction de leur savoir par les élèves, dans une attitude active de recherche des solutions à un problème posé. Au delà, cette recherche induit une réflexion fondamentale sur la formation initiale des enseignants. Le protocole conçu et conduit par l'Institut a nécessité un très important travail d'identification des transferts possibles, auprès des laboratoires des grands organismes scientifiques, de l'Université et de l'Industrie, dans de multiples disciplines : Physique, Chimie, Géophysique, Hydrogéologie, Génétique moléculaire, Physiologie végétale et animale, etc. Des liens étroits avec des équipes d'enseignants travaillant en réseau ont permis l'expérimentation dans les classes de logiciels et de matériels adaptés. L'application pédagogique a induit une réflexion sur l'intégration des nouveaux outils dans les démarches pédagogiques et la diversification des méthodes d'enseignement. Bref, la démarche de recherche ainsi orientée et basée sur une conjonction d'efforts et sur la complémentarité des apports entre chercheurs, professionnels et éducateurs, a abouti aux résultats extrêmement riches et d'intérêt national qui sont réunis dans cette publication. La valorisation et la modernisation de l'enseignement scientifique est une priorité nationale. Aussi, on a recherché le renforcement de la motivation des élèves et de la valeur formatrice de la discipline dans sa spécificité : la formation au mode de pensée expérimental. Dans les situations proposées, l'élève, dans une attitude active et en utilisant des technologies modernes, réalise une production scientifique, individuellement ou en équipe, et acquiert des savoir-faire méthodologiques et techniques. Il est sensibilisé aux démarches de modélisation par le traitement de données et la simulation. Les types d'applications pédagogiques de l'ordinateur concernent aussi l'exploitation de logiciels professionnels d'aide à la décision (agronomie, gestion des r e s s o u r c e s ) , l'expérimentation assistée par ordinateur, l'imagerie informatique, ainsi que l'emploi de bases de données et de logiciels de traitement, par exemple en génétique moléculaire. L'utilisation pédagogique de l'informatique est en voie de généralisation, notamment sous l'impulsion de la Direction des Lycées et Collèges et de l'Inspection générale. Le travail sur les logiciels trouve sa place en salle de travaux pratiques de Biologie-Géologie et les équipements spécifiques des laboratoires progressent. Aussi, cet aspect de la recherche conduite dans le Département Technologies Nouvelles et Education de l'INRP est exemplaire. L'Inspection générale de Biologie-Géologie remercie l'équipe des chercheurs et enseignants qui ont apporté leur contribution à cet excellent travail et qui, avec une très grande compétence, ont su comprendre l'ambition éducative de notre enseignement et proposer de nouveaux moyens de renouvellement des contenus à enseigner et aussi des méthodes d'enseignement. De plus, ce travail d'équipe ouvre la réflexion sur le terrain privilégié des nouvelles conditions de la relation pédagogique entre le professeur et les élèves dans la classe : c'est un aspect essentiel. Cette recherche fondamentale et appliquée contribuera à améliorer les pratiques pédagogiques de l'ensemble des enseignants de la discipline ; la formation initiale, dans les Instituts Universitaires, s'inspirera du coeur de cette recherche : l'interdépendance entre le Savoir relatif aux phénomènes naturels et les nouveaux moyens de leur exploration et de leur mesure. Régis DEMOUNEM Doyen de l'Inspection Générale de Biologie-Géologie EQUIPES ASSOCIEES A LA RECHERCHE Les textes qui suivent sont issus, pour une large part, du travail de synthèse réalisé par les animateurs des équipes : - Christiane Haguenauer, Nancy - Jean-Marc Coulais, Niort - Michel Dreyer, Strasbourg - Jean-Yves Dupont, Tours - Suzanne Dupouy et Christian Gros, Toulouse - Jean-François Schmit, Fameck - Bernard Thérrié, Evry Composition des équipes : TENTATIVE D E MODELISATION DE LA LITHOSPHERE DANS LES ZONES DE SUBDUCTION R. Culos, MAFPEN de Toulouse S. Dupouy, Lycée Saint Sernin, Toulouse C. Gros, Lycée Fermât, Toulouse C O M P R E N D R E E T PRÉVOIR LA DYNAMIQUE DES NAPPES D'EAU J. Baly, Lycée Xavier Bichat, Luné ville P. Berche, Lycée Henri Poincaré, Nancy J.-Y. Boulanger, Lycée Jacques Callot, Nancy B. Gérardin, Lycée Jeanne d'Arc, Nancy C. Haguenauer, MAFPEN et IUFM de Nancy-Metz Bl. Janin, Collège de Dieulouard S. Klein, Collège de Mirecourt LA GESTION DES RESSOURCES EN EAU A p p r o c h e à p a r t i r des données et des logiciels g é n é r a u x J J . Bernard, Lycée Camille Guérin, Poitiers J.M. Coulais, Lycée de la Venise Verte, Niort J. Coutable, Lycée Pilote Innovant, Jaunay-Clan P. Giraudeau, Lycée Pilote Innovant, Jaunay-Clan GESTION DES RESSOURCES VEGETALES ET ANIMALES E x p l o i t a t i o n p é d a g o g i q u e des logiciels p r o f e s s i o n n e l s d'aide à la décision A. Barrère, Lycée d'Enseignement Agricole Tours-Fondettes J. Barrère, Lycée Paul Louis Courier, Tours J.Y. Dupont, Lycée Paul Louis Courier, Tours B. Moulia, Lycée d'Enseignement Agricole Tours-Fondettes SUIVI MULTIPARAMETRE DE MILIEUX BIOLOGIQUES COMPLEXES G. Chambon, Lycée St Exupéry, Fameck P. Faure, Lycée St Exupéry, Fameck G. Orsini,Lycée St Exupéry, Fameck J.F. Schmit, Lycée St Exupéry, Fameck LA TRANSMISSION DE L'INFORMATION DANS L'ORGANISME Logiciels d e s i m u l a t i o n en neurophysiologie M. Dreyer, Lycée Fustel de Coulanges, Strasbourg J.C Hervé, IPR-IA de biologie-géologie, Académie de Versailles N. Salamé, INRP, Département Technologies Nouvelles et Education ANALYSE DE SEQUENCES DE GENES ET DE PROTEINES J. C. Hervé, IPR-IA, Académie de Versailles D. Lenne, Département Technologies Nouvelles et Education N. Salamé, INRP, Département Technologies Nouvelles et Education J.F. Rodes, Lycée Francisque Sarcey, Dourdan B. Thérrié, Lycée du Parc des Loges, Evry La mise en forme de toutes les illustrations graphiques a été réalisée par G. Boghossian, graphiste à l'INRP. Sommaire page INTRODUCTION N. Salamé 17 TENTATIVE D E MODELISATION DE LA LITHOSPHERE DANS LES ZONES DE SUBDUCTION 21 R. Culos, S. Dupouy, C. Gros I. LES ORIENTATIONS PEDAGOGIQUES A. Le contexte B. Les approches antérieures C. Les objectifs IL LES LOGICIELS ET LES DONNEES DISPONIBLES A. Les logiciels recensés 1. Logiciels commerciaux de visualisation graphique 2. Les logiciels de modélisation B. Les données disponibles 1. Nature et origine des données recueillies : 2. Format, volume et préparation des données : C. Les logiciels utilisés 1. SURFER : logiciel de traitement et de visualisation graphique 2. GRAMMAG : logiciel de modélisation graphique 3. COUPER : logiciel de réalisation de profils 4. POLYDES : logiciel de visualisation des séismes 5. MENUGEO : module intégrateur EL LA DEMARCHE PEDAGOGIQUE A. B. C. D. Présentation géographique Bathymétrie Mise en évidence d'une relation bathymétrie-gravimétrie Recherche de données complémentaires 1. Données de sismique naturelle 2. Données de sismique réflexion-réfraction E. Elaboration du modèle 1. Réalisation de l'ébauche sur papier 2. Transfert du modèle sur machine F. Synthèse : le modèle dynamique IV. DISCUSSION A. Les données B. Les logiciels C. Le travail du professeur D. Les réactions des élèves E. Les contenus et les programmes F. Les perspectives 24 24 25 27 28 28 28 29 30 30 32 34 35 39 43 44 45 48 48 49 52 54 54 57 59 59 59 61 63 63 63 66 66 68 69 C O M P R E N D R E E T P R E V O I R LA D Y N A M I Q U E DES NAPPES D'EAU 73 J. Baly, P. Berche, J.-Y. Boulanger, B. Gérardin C. H a g u e n a u e r , Bl. Janin, S. Klein I. APPLICATIONS DE L'INFORMATIQUE EN GEOLOGIE APPLIQUEE ET PLUS PRECISEMENT EN HYDROGEOLOGIE A. La géologie appliquée, science prospective B. L'hydrogéologie, science des modèles C. Place de la géologie appliquée, particulièrement de l'hydrogéologie, dans l'enseignement secondaire II. ADAPTATION D'OUTILS PROFESSIONNELS ET CONSTRUCTION D'UN NOUVEL OUTIL POUR L'ENSEIGNEMENT A. Accessibilité des outils professionnels, traditionnels et informatiques B. Adaptation d'HYDROMOD, logiciel à caractère professionnel 1. Définition du modèle 2. Adaptation pédagogique d'HYDROMOD conduisant au logiciel HYDROS. 3. Le menu et les principales fonctions d'HYDROS. C. Création d'ÉCO L'EAU, un outil spécialisé adapté au milieu scolaire 1. Définition du modèle 2. Structuration pédagogique d'ÉCO L'EAU III. APPLICATION PÉDAGOGIQUE DES OUTILS ADAPTÉS A.Utilisation du logiciel HYDROS pour comprendre et représenter dans l'espace la dynamique d'une nappe 1. Activités des élèves 2. Évaluation des résultats de l'expérimentation d'HYDROS en classe B. Utilisation du logiciel ECO L'EAU pour comprendre et représenter la dynamique temporelle d'une nappe d'eau 1. Activités des élèves 2. Évaluation des résultats de l'expérimentation d'ÉCO L'EAU en classe C. Perspectives offertes par les logiciels ECO L'EAU et HYDROS 75 75 78 81 84 84 85 85 87 90 93 93 97 105 105 105 113 120 120 130 138 LA GESTION DES RESSOURCES EN EAU A p p r o c h e à p a r t i r d e s d o n n é e s et des logiciels g é n é r a u x 141 J J . Bernard, J . M . Coulais, J. Coutable, P. Giraudeau I. L'APPROCHE D U PROBLEME 143 A. Les types de logiciels disponibles B. Les données à recueillir C. Les documents d'appuis 144 145 146 D. Les orientations de travail 146 H. LES BESOINS ET USAGES DE L'EAU 148 A. Thème d'étude : alimentation en eau potable, organisation des unités de distribution. 1. Objectifs pédagogiques 2. Collecte et saisie des informations 3. Traitement de l'information ffl. LES FLUX D'EAU ET LEUR GESTION A. Objectifs pédagogiques communs aux différents thèmes d'étude 1. Problèmes à étudier 2. Savoirs 3. Savoir-faire B. Collecte et saisie des informations 1. Organismes compétents C. Les Thèmes d'étude 1. Thème : mise en évidence d'un flux et de ses variations a. Exemple d'acquisition et d'utilisation de données expérimentales b. Travail à partir de fichiers de données professionnelles 2. Thème : la gestion des flux d'eau 148 148 148 150 154 154 154 154 154 155 155 155 157 157 159 162 IV. L'EAU ET LES FLUX D E MATIERE 164 A. Objectifs pédagogiques communs, aux différents thèmes d'étude 1. Problèmes à étudier 2. Savoirs B. La collecte des informations 1. Les paramètres de qualité 2. Organismes compétents C. Le traitement des informations 1. Les données 2. Les logiciels D. Les thèmes d'étude 1. Thème : étude des normes de potabilité à partir des fichiers de qualité 2. Thème : Qualité d'une eau et répartition géographique : la cartographie 3. Thème : Qualité et potabilité d'une eau 4. Thème : Corrélations entre paramètres de qualité des eaux 164 164 164 164 164 165 166 166 167 167 167 169 176 178 IV - CONCLUSIONS 180 ANNEXES 183 GESTION DES RESSOURCES VEGETALES ET ANIMALES E x p l o i t a t i o n p é d a g o g i q u e des logiciels p r o f e s s i o n n e l s d'aide à la décision 191 A. Barrère, J. Barrère, J.Y. Dupont, B. Moulia I. L'INFORMATIQUE D A N S LE MONDE AGRICOLE 194 A. Les Logiciels disponibles 1. Production végétale 2. Production animale B. La collaboration avec l'enseignement agricole 195 195 196 197 IL LOGICIELS CHOISIS. FONCTIONNALITES ET UTILISATION PEDAGOGIQUE 198 A. Fertilisation minérale : le logiciel ISAFUMURE 1. Fonctionnalités 2. Utilisation pédagogique a. Activités sur le terrain et en T.P. b. Utilisation du logiciel 3. Les étapes du travail a. Les exportations minérales b. Les caractéristiques du sol c. Amélioration de la fertilité des sol 198 198 199 200 200 201 201 202 205 B. Rationalisation de l'irrigation : le logiciel LORA 1. Fonctionnalités 2. Utilisation pédagogique a.Les besoins en eau des plantes b. Les réserves en eau du sol c. L'adéquation besoins-ressources 205 205 207 207 209 210 C. Nutrition animale : le logiciel DIETAL 1. Fonctionnalités 2. La nutrition en vue de la production de lait 3. La physiologie des ruminants 4. Le rationnement en stabulation libre a. La valeur nutritive des aliments b. Equilibrer les apports alimentaires c. Eviter le prélèvement sur le squelette d. Accroître la production lactée 5. La nutrition en pâturage a. L'évolution de la prairie dans le temps b. La valeur alimentaire des fourrages 213 213 213 214 217 217 218 219 219 220 222 223 III. SYNTHESE 224 ANNEXE 227 SUIVI M U L T I P A R A M E T R E DE MILIEUX BIOLOGIQUES COMPLEXES EXEMPLE : LA FERMENTATION 229 G Chambon, G. Orsini, P. Faure, J.F. Schmit I. LES ASPECTS PEDAGOGIQUES A. Les savoirs 1. En biologie 2. En chimie 3. En physique B. Les savoir-faire IL LE SUIVI TECHNIQUE D'UNE FERMENTATION A. Dans l'industrie 1. Les fermenteurs 2. Les capteurs 3. Les échantillonneurs 4. les dosages B. Dans l'enseignement 1. Les matériels disponibles III. MISE A U POINT DES EXPERIENCES A. Contrôle des conditions de pH et de température 1. Essai 1 à température ambiante 2. Essai 2 à une température plus élevée B. Régulation du pH et de la température C. Dosages du glucose D. Dosages de l'alcool IV - MISE EN OEUVRE D A N S LES CLASSES A. Séquence d'initiation 1. Objectifs 2. Principe du T.P. 3. Résultats B. Séquence de transfert 1. Principe du T.P. 2. Protocole expérimental 3. Consignes 231 232 232 233 233 234 234 234 234 234 235 235 235 235 236 237 238 239 241 241 242 243 243 243 243 244 244 244 244 245 V. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES 246 ANNEXE 248 LA TRANSMISSION DE L'INFORMATION DANS L'ORGANISME L o g i c i e l s d e s i m u l a t i o n en physiologie n e r v e u s e 251 M. Dreyer, J.C. Hervé, N., Salamé I. L'EVOLUTION DES CONTENUS 253 II. LOGICIELS DISPONIBLES EN PHYSIOLOGIE NERVEUSE 255 A. Fonctions générales des logiciels 1. HHE 2. AXOVACS 3. NEUROSIM B. Fonctions communes, fonctions spécifiques C. Etude comparée de quelques résultats expérimentaux D. Autres logiciels disponibles III. ETUDE DU SYSTEME NERVEUX AVEC LE LOGICIEL NEUROSIM A. Problématique générale B. Prérequis des élèves C. Les étapes de la démarche 1. Le concept de potentiel d'action 2. La période réfractaire 3. Recherche des mécanismes ioniques à l'origine du potentiel d'action 4. Recherche d'explications aux caractéristiques essentielles du signal nerveux 5. Modalités de passage des ions Sodium et Potassium au cours du potentiel d'action 6. Introduction à la notion de canaux ioniques 7. La conduction du message nerveux 8. La transmission de l'information au niveau des synapses et le rôle intégrateur du neurone IV. APPROCHES COMPLEMENTAIRES A. Phénomènes ioniques de la membrane neuronale B. Les aspects énergétiques C. Les aspects moléculaires 256 256 257 259 261 262 263 263 264 265 265 265 267 268 270 272 275 275 277 281 281 284 285 ANALYSE DE SEQUENCES DE GENES ET DE PROTEINES J. C. Hervé, D. Lenne, J.F. Rodes, N. Salamé, B. Thérrîé 287 I - L'EVOLUTION DES CONNAISSANCES 289 A. Quelques repères historiques B. Les connaissances de biologie moléculaire dans les programmes des lycées C. Conséquences pédagogiques IL BANQUES D E DONNEES ET LOGICIELS DE TRAITEMENT EN BIOLOGIE MOLECULAIRE A. Les bases de données internationales B. Les traitements des séquences C. Les choix opérés dans les logiciels disponibles III. ENSEIGNER LES CONNAISSANCES DE BASE AVEC U N LOGICIEL D'ANALYSE DE SEQUENCES (SEQAIDII) A. Fonctionnalités du logiciel 1. Lecture, écriture, visualisation de séquences 2. Edition et conversion de séquences 3. La comparaison (alignement) de séquences 4. Analyse de séquences B. Banque de données associée à SEQAIDII 1. Constitution de la banque 2. Contenu de la banque C. Les thèmes d'utilisations du logiciel et des données 1. Code génétique : caractéristiques, cadre de lecture 2. L'ARN messager 3. Activités autour du gène eucaryote 4. Allèles du gène, mutations et conséquences 5. Familles multigéniques et complexification du génome D. Les utilisations en classe IV. ETUDIER L'EVOLUTION A PARTIR DE DONNEES MOLECULAIRES A. Fonctionnalités du logiciel EVOLUTION MOLECULAIRE 1. Choix des espèces 2. Travail sur des séquences non alignées 3. Travail sur des séquences alignées a. Calcul et affichage d'une matrice des distances b. Calcul et affichage d'un arbre phylogénétique c. Comparaison de deux matrices B. Utilisations pédagogiques 1. Familiarisation avec la classification phylogénétique des vertébrés 2. Notions d'homologie, de mutation et de contrainte fonctionnelle 3. Réponses à un problème de parenté entre groupes 4. Rythme d'évolution des molécules chez les vertébrés 5. Réalisation de quelques phylogénies 6. Duplication de gènes V. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES 289 291 292 294 294 296 297 298 298 299 301 303 306 307 307 308 310 311 312 315 315 316 319 328 329 331 332 332 333 333 334 334 336 336 337 338 339 341 342 Ce travail est infiniment redevable à Monsieur Jean-Claude Hervé, IPR-IA de Biologie-Géologie de l'Académie de Versailles, pour sa participation effective à la recherche. Le chapitre consacré à la transmission de l'information dans l'organisme a bénéficié de son analyse approfondie des logiciels de physiologie nerveuse qui sont décrits. Il a veillé sur la rédaction de l'ensemble de ce chapitre et donné forme à la démarche pédagogique proposée pour l'exploitation des outils. Plusieurs des pages consacrées à l'énoncé des problèmes et à la manière de les résoudre ont été rédigées par ses soins. Le chapitre sur l'analyse de séquences de gènes et de protéines, dans sa structuration et dans ses composantes scientifique et pédagogique, lui est totalement du. En remontant systématiquement aux publications originales, il a identifié les séquences nucléiques et protéiques et leurs caractéristiques, contrôlé la fiabilité des données extraites des bases internationales, fourni toutes les indications scientifiques pour la saisie des gènes mutants et leur intégration dans la banque de séquences à visée pédagogique. C'est à la faveur des stages de formation pour les enseignants qu'il a organisés dans l'Académie de Versailles, en 1991 et en 1992, que les outils et les démarches ont été patiemment testés et discutés avec les professeurs stagiaires, avant d'être proposés pour expérimentation dans les salles de classe. Introduction N. Salamé Dans cet ouvrage collectif, nous essayons de rendre compte des explorations entreprises entre 1988 à 1992 concernant "la contribution de l'informatique au renouvellement des activités expérimentales en biologie et en géologie". Cette publication est destinée, en premier lieu, aux enseignants de cette discipline ; elle a donc été écrite en privilégiant la description des instruments et des démarches d'exploitation pratiques, donnant une grande place aux illustrations et évitant, dans la mesure du possible, les détails techniques. Nous nous limiterons, en introduction, à replacer le travail dans son contexte, rappeler les lignes directrices et la méthode de déroulement qui rendent compte de sa cohérence d'ensemble, résumer ses résultats globaux. Cette recherche menée dans l'unité Informatique et Enseignement de l'INRP s'inscrit dans le cadre d'une orientation où sont analysées les interactions entre le développement des techniques d'investigation dans les domaines scientifiques, d'un côté, et celui des contenus et méthodes d'enseignement de l'autre. Ce ne sont donc ni des préoccupations purement technologiques, ni des considérations exclusivement disciplinaires qui orientent les investigations dans cette unité, mais plutôt les perspectives ouvertes par l'innovation technique pour l'évolution pédagogique. Ainsi, les méthodes de conception des instruments et des environnement d'apprentissage, les compétences requises ou introduites par l'utilisation d'approches informatisées, les activités générées et proposées aux élèves constituent des thèmes centraux. En ce qui concerne la recherche qui nous intéresse ici, nous avons pris en considération, d'abord, le fait que l'enseignement de la biologie et de la géologie est confronté depuis des années à la nature des nouveaux savoirs impliqués (explications biochimiques, mécanismes géophysiques, régulations complexes, interactions systémiques, etc.). Cet enseignement continue, cependant, de maintenir les objectifs d'une formation méthodologique expérimentale des élèves. Le contact avec le réel, la manipulation physique des objets, l'utilisation de l'instrumentation, la conception de protocoles expérimentaux, etc. sont considérés comme des supports de la motivation des élèves et des conditions pour l'acquisition de savoirs intellectuels et opératoires. Or, ni les écosystèmes, ni les mécanismes cellulaires et moléculaires, ni les grandes manifestations de la tectonique ne peuvent être mis aisément et sans médiation à la portée des élèves. C'est donc par référence à ces options pédagogiques que nous avons tenté d'étudier dans quelle mesure des facilités ou des innovations peuvent être apportées par les ordinateurs, pour pallier les problèmes posés dans l'enseignement et l'apprentissage des nouvelles connaissances. Il convient de noter que l'informatique a constamment joué ce rôle instrumental en sciences expérimentales. Dans cette optique et avec des objectifs similaires aux nôtres, diverses approches ont été impulsées ces dernières années (simulations, traitement d'images numériques, expérimentation assistée par ordinateur, etc.) et sont toujours l'objet d'investigations et de développements. Malgré ces efforts, il nous semble que l'une des questions qui reste posée, concerne le statut et la justification de l'utilisation de l'informatique qui est perçue par beaucoup d'enseignants comme une technologie éducative accessoire. L'idée maîtresse de la recherche que nous avons entreprise est d'appuyer les utilisations des ordinateurs en biologie et en géologie sur leurs utilisations scientifiques et professionnelles. Cette référence implique l'apport d'exemples démonstratifs de l'efficacité des outils informatiques et de leur caractère indispensable pour l'étude de domaines et de concepts qui sont fondamentaux pour l'enseignement de ces disciplines. L'extension de l'utilisation des ordinateurs dans la plupart des domaines scientifiques des sciences de la Vie et de la Terre, l'évolution des méthodes de conception des logiciels professionnels dans lesquels une importance plus grande est dorénavant accordée aux qualités de l'interface utilisateur, ont constitué des d'arguments confortant l'hypothèse de faisabilité de cette recherche, et laissant a priori entrevoir que des exemples pertinents et convaincants pouvaient être détectés. Des investigations préalables avaient montré que les applications professionnelles faisaient fréquemment appel à des méthodes et des techniques particulières (les banques de données, les traitements mathématiques et statistiques, les visualisations graphiques), en vue de la construction de modèles ou de l'aide à la décision. Ce sont les bénéfices potentiels qui peuvent être tirés de ces approches que nous avons visés. Pour déterminer les domaines précis d'investigation, nous avons essayé de concilier leur intérêt pédagogique (leur appartenance aux programmes et le caractère problématique de leur enseignement) et la probabilité d'y rencontrer des applications informatiques évoluées et transférables à l'éducation. En géologie, les explorations ont concerné la modélisation de la subduction ; en l'hydrogéologie la gestion quantitative et qualitative des nappes d'eau. En biologie, l'intérêt s'est focalisé sur l'amélioration de la production végétale (fertilisation) et animale (nutrition), l'enseignement de la neurophysiologie, la biologie moléculaire. L'attention a porté également sur les banques de données épidémiologiques, dont plusieurs ont été collectées mais dont l'intégration pédagogique n'est pas encore suffisamment clarifiée. En revanche, l'apport des méthodes industrielles de suivi automatisé de milieux biologiques a fait l'objet d'un travail qui n'était pas envisagé au lancement de cette recherche. Dans tous ces domaines, nous avons appliqué une méthode d'exploration identique, à savoir : une première étape de contacts avec les organismes scientifiques ou professionnels pour avoir un aperçu des pratiques actuelles, des problèmes traités et des utilisations en cours de l'informatique ; l'identification de logiciels, de données, de ressources diverses pouvant donner lieu à une activité d'investigation avec les élèves, l'acquisition de ces outils, leur analyse et la réalisation de tests ponctuels sont intervenus dans un deuxième temps ; nous avons enfin procédé à l'adaptation et à la construction d'outils complémentaire, à la constitution des banques de données utiles pour l'enseignement, à la définition de démarches d'exploitation en situation expérimentale dans les classes. Les résultats intermédiaires de ces investigations ont été présentés de manière succinte au cours du colloque "l'informatique scientifique dans l'enseignement de la biologie et de la géologie au lycée", organisé à l'INRP conjointement avec l'Ecole Normale Supérieure, en juin 1991. Dans la présente publication, les différents chapitres consacrés aux thèmes de travail, dressent un bilan détaillé des étapes franchies. Les conclusions générales et transversales que l'on peut en dégager sont les suivantes : 1 - l'existence de multiples instruments informatiques issus des usages professionnels, et correspondant à des domaines où les activités réalisables par les élèves se sont raréfiées, est confirmée. Pour certains thèmes qui font l'objet de recherches en cours (géophysique, biologie moléculaire, neurophysiologie, notamment), la plupart des logiciels élaborés par les chercheurs et des banques de données identifiées sont du domaine public et donc aisément accessibles pour l'éducation. En revanche, dans les domaines où ce sont les applications qui dominent, les logiciels commercialisés (qui sont parfois la reprise de logiciels de chercheurs) sont généralement assez coûteux et donc difficiles à acquérir. Les logiciels identifiés permettent de traiter une famille de données ou de situations. De manière générale, ils sont de bonne facture technique, présentent de nombreuses fonctionnalités, dont une partie est à la portée des élèves des lycées. Leur richesse et leur caractère général et "ouvert" font que ces outils peuvent être exploités dans plusieurs cycles de l'enseignement (lycées, classes préparatoires aux grandes écoles, enseignement supérieur), à plusieurs niveaux d'approfondissement. En contrepartie de leur puissance il convient de leur reconnaître une certaine complexité. 2 - Par définition, ces instruments ne sont pas conçus pour des usages éducatifs. On ne peut donc pas, sans préparation, les confier à des élèves qui suivraient un cheminement prédéterminé qui n'existe pas. Ces outils permettent d'aller d'autant plus loin que l'utilisateur maîtrise la méthode d'approche et les concepts de base. Il faut donc élaborer des stratégies d'introduction des connaissances et des documents utilitaires qui vont faciliter ensuite la mise en oeuvre d'un processus personnel d'investigation. Cette mise en place, chez les élèves, de la maîtrise technique et des méthodes d'exploration adaptées au domaine traité, nécessitent du temps. Le caractère général des outils, l'extension des questions qu'ils permettent de traiter, l'approfondissement qui en résulte, sont des facteurs importants pour évaluer l'intérêt de leur appropriation par les élèves. Plusieurs des exemples fournis montrent que ces outils peuvent servir dans plusieurs chapitres, et constituer ainsi une armature pour les modules disciplinaires prévus dans la réforme récente des programme. 3 - La nécessité d'une modification, voire d'une refonte totale de ces logiciels est à discuter cas par cas. L'adaptation à l'enseignement qui pourrait conduire à une simplification des approches entraînerait également une rupture avec la notion d'outils professionnels. Or, cette dimension semble jouer un rôle important dans les représentations que les élèves et les enseignants associent aux activités proposées, et finalement dans l'investissement qu'ils consentent. 4 - La nature des activités générées par ces outils renouvelle, dans l'ensemble, l'approches des problèmes dans les domaines concernés ainsi que le type d'interrogations qu'on peut formuler et essayer d'instruire ou de tester. Si l'on peut discuter de leur caractère "expérimental" au sens strict, il n'empêche que ces activités ne se réduisent pas à des manipulations formelles, mais font appel à la mise en oeuvre de savoirs biologiques et géologiques très précis. Les quantifications qui accompagnent souvent les applications de l'informatique en sciences, constituent une avancée importante dans certains domaines, et une contribution au renforcement de la dimension scientifique de l'enseignement. 5 - 1 1 faut maintenant passer des produits prototypiques aux outils banalisés, en assurant la disponibilité réelle des données et des logiciels pour leurs destinataires. La question ne se pose pas pour les logiciels commerciaux, alors que des solutions doivent être trouvées pour les produits construits ou adaptés dans le cadre de cette recherche. Plusieurs modalités sont à mettre en oeuvre : négociation avec des éditeurs privés (ceci est déjà fait dans le domaine de l'évolution moléculaire), accord avec des éditeurs publics (une négociation est en cours pour la diffusion du logiciel de traitement de séquences et des données associées, et on envisage d'assurer de la même manière celle des logiciels de géophysique) ; accord avec de grandes entreprises (convention en préparation avec EDF pour la diffusion des logiciels d'écoulement d'eau), etc. 6 - 1 1 convient enfin d'évoquer les directions de travail qui sont ouvertes. Des explorations similaires sont à conduire dans d'autres domaines où l'on manque cruellement d'instruments d'investigation pour les élèves, qu'il s'agisse des contenus classiques importants (neurochimie, régulations) de chapitres introduits ou amplifiés dans les nouveaux programmes (la dynamique externe) ou de domaines nouveaux (la géochimie). Il est indispensable, en outre, d'entreprendre les recherches nécessaires pour une appréciation fine de l'impact des nouveaux instruments auprès des enseignants et leurs conséquences sur l'apprentissage des élèves. T E N T A T I V E D E M O D E L I S A T I O N DE LA L I T H O S P H E R E DANS L E S Z O N E S D E S U B D U C T I O N R. Culos, S. Dupouy, C. Gros Ce travail est particulièrement redevable à : - M. BAYER, Université des Sciences et Techniques du Languedoc, Centre géologique et géophysique, Montpellier - M. de CABISSOLE, Université des Sciences et Techniques du Languedoc, Centre géologique et géophysique, Montpellier - M. SARRAILH, Bureau Gravimétrique International, Toulouse ainsi qu'à : - M. DERAMONT, Université Paul Sabatier, Laboratoire de géophysique, Toulouse - Mme GUERRERO, Université Paul Sabatier, Toulouse - M. HAZTFELD, Université Joseph Fourier, Laboratoire de géophysique interne et tectonophysique, Grenoble - M. LALLEMANT, Ecole Normale Supérieure, Département de géologie, Paris - M. MASCLE, Université Paris VI, Laboratoire de géodynamique sous-marine, Villefranche-sur-Mer - M. MERCIER, Université Paris XI, Laboratoire de géophysique, Orsay - M. SOREL, Université Paris XI, Laboratoire de géophysique, Orsay - Mme VELDE, Université Paris VI, Laboratoire de pétrologie minéralogique T E N T A T I V E D E M O D E L I S A T I O N D E LA L I T H O S P H E R E DANS LES ZONES DE SUBDUCTION 23 R. Culos, S. Dupouy, C. Gros I. LES ORIENTATIONS PEDAGOGIQUES A. Le contexte B. Les approches antérieures C. Les objectifs II. LES LOGICIELS ET LES DONNEES DISPONIBLES A. Les logiciels recensés 1. Logiciels commerciaux de visualisation graphique 2. Les logiciels de modélisation B. Les données disponibles 1. Nature et origine des données recueillies : 2. Format, volume et préparation des données : C. Les logiciels utilisés 1. SURFER : logiciel de traitement et de visualisation graphique 2. GRAMMAG : logiciel de modélisation graphique 3. COUPER : logiciel de réalisation de profils 4. POLYDES : logiciel de visualisation des séismes 5. MENUGEO : module intégrateur m. LA DEMARCHE PEDAGOGIQUE A. B. C. D. Présentation géographique Bathymétrie Mise en évidence d'une relation bathymétrie-gravimétrie Recherche de données complémentaires 1. Données de sismique naturelle 2. Données de sismique réflexion-réfraction E. Elaboration du modèle 1. Réalisation de l'ébauche sur papier 2. Transfert du modèle sur machine F. Synthèse : le modèle dynamique IV. DISCUSSION A. Les données B. Les logiciels C. Le travail du professeur D. Les réactions des élèves E. Les contenus et les programmes F. Les perspectives 24 24 25 27 28 28 28 29 30 30 32 34 35 39 43 44 45 48 48 49 52 54 54 57 59 59 59 61 63 63 63 66 66 68 69 T E N T A T I V E D E M O D E L I S A T I O N DE LA L I T H O S P H E R E DANS L E S Z O N E S D E S U B D U C T I O N En biologie et en géologie, l'expérimentation, le recueil de données et la construction de modèles occupent une place très importante dans la recherche comme dans l'enseignement. Les outils informatiques y contribuent de manière différente suivant les domaines. Pour certains contenus actuellement enseignés, les ordinateurs rendent possible, en classe, l'acquisition de données expérimentales en temps réel pour mettre en évidence, par exemple, les facteurs qui interviennent dans la photosynthèse, les conditions de transmission du message nerveux, ou pour contrôler les facteurs physico-chimiques d'un milieu. L'exploitation de ces données peut conduire à une meilleure compréhension des phénomènes étudiés et à formulation de lois. Dans d'autres domaines, cette acquisition directe de mesures par les élèves n'est pas possible, soit à cause du facteur temps, les données pouvant être anciennes ou se répartir sur une longue période, soit à cause du facteur espace, les données pouvant provenir de sites géographiques éloignés, soit encore parce que les mesures à réaliser nécessitent des matériels et des traitements correcteurs très spécifiques. C'est généralement le cas en géophysique où il faut recourir aux résultats déjà enregistrés par les chercheurs. Cependant, vu l'évolution des équipements des lycées et collèges, les phases du traitement, de la visualisation graphique et de la modélisation à partir de ces données sont tout à fait possibles en classe, à condition d'opérer au préalable : - une sélection raisonnable dans les données existantes, pour se limiter aux mesures et aux calculs compréhensibles par les élèves, - une préparation de ces données pour qu'elles soient aisément exploitables par les logiciels courants disponibles, - une mise au point de démarches pédagogiques montrant la faisabilité d'approches pédagogiques cohérentes avec les contenus et les méthodes actuelles de l'enseignement. Dans ces conditions, les outils informatiques peuvent s'avérer des outils précieux pour aborder, par exemple, les grands faits de la tectonique des plaques à travers les données géophysiques et tenter de modéliser la lithosphère. C'est ce que nous avons essayé de réaliser sur les zones de subduction. I. LES ORIENTATIONS PEDAGOGIQUES A. Le contexte Pendant de nombreuses années, la géologie fut descriptive. Les observations disponibles étaient limitées aux parties les plus superficielles des continents, de sorte que les géologues ne disposaient pas d'un ensemble cohérent de données permettant une approche globale des phénomènes. Depuis la fin des années 60, les sciences de la terre ont subi une profonde évolution avec la naissance de la théorie de la tectonique des plaques ; théorie unificatrice permettant d'expliquer les grands faits géologiques : orogenèses, volcanisme, séismes et montrant l'étroitesse des liens unissant ces phénomènes. Cette théorie a pris naissance après l'accumulation de nouvelles données dues à de récentes technologies d'investigation de la croûte terrestre, continentale et océanique. La géophysique et la géochimie ont été les moteurs de cette théorie et les pourvoyeurs de données nouvelles, abondantes et précises. Des navires et des submersibles ont été équipés d'appareils destinés à cartographier les fonds océaniques, à observer directement la croûte océanique jusqu'alors méconnue, à mesurer le paléomagnétisme des roches, à pratiquer des forages sous-marins. La masse de données quantitatives ainsi collectées par le géophysicien a pu être exploitée rapidement par le traitement informatique, l'ordinateur permettant également des modélisations évolutives et des simulations. L'enseignement de la géologie dans les classes de lycées (premières scientifiques et classes préparatoires) a suivi l'évolution des sciences de la terre. Il est passé du stade descriptif au stade explicatif, de l'échelle locale à l'échelle mondiale (D. d) Consacré à la dynamique du globe terrestre, l'enseignement de la géologie en classe de première s'intéresse à la dynamique interne, au caractère historique des sciences de la terre et à leur aptitude à développer l'esprit de synthèse, à mener aux abstractions. Cet enseignement valorise le va-et-vient entre le réel complexe, les faits d'observation et l'expérience d'une part, les modèles explicatifs d'autre part. Les études proposées se situent d'emblée à l'échelle mondiale et prennent en compte le fait que la compréhension de la dynamique du globe a associé, depuis 25 ans, le progrès en géophysique avec les observations de terrain tour à tour origine des problèmes et sources de données fondant puis confirmant les théories. La priorité sera toujours accordée aux faits, et à partir de leur ensemble, l'élève devra comprendre comment s'élaborent modèles et théories, comment un même ensemble de faits peut suggérer plusieurs modèles, comment le pouvoir explicatif de la théorie en vigueur engendre la découverte de nouveaux faits dont l'accrétion au modèle peut conduire à son abandon, à l'élaboration de nouveaux modèles et au perfectionnement de la théorie. Pour aborder les grands phénomènes de la dynamique du globe terrestre l'enseignant est donc invité à un va-et-vient entre le "réel complexe", les "modèles explicatifs" et "les théories" dont les élèves devront comprendre l'élaboration". Actuellement, pour atteindre ces objectifs, les documents disponibles sont le plus souvent livresques, d'une qualité de reproduction parfois peu exploitable et dont la technique de réalisation n'est pas toujours explicitée. De plus il est difficile de se procurer tout un ensemble de documents cohérents et complémentaires se rapportant à une même région. Les activités pédagogiques sont de ce fait réduites à observer ou à interpréter des résultats expérimentaux déjà traités, sans possibilité d'accès aux données de base et à la compréhension des mécanismes de traitement et d'élaboration des documents et des modèles. En particulier, la phase de conception des modèles échappe à l'initiative des élèves qui sont peu sensibilisés aux paramètres importants pris en compte et à l'incertitude du modèle résultant. Ils sont peu conscients que la modélisation est une synthèse simplificatrice d'une réalité complexe. Etant donné par le professeur (et non élaboré avec la classe), le modèle à valeur descriptive ou explicative peut-être perçu comme une vision définitive, c'est-à-dire comme l'explication du phénomène. Il n'est en fait qu'une représentation mentale d'un phénomène non directement accessible à l'observation, mais élaboré à l'aide de paramètres physiques et de données qui sont considérés comme étant la conséquence du phénomène lui-même. De plus les élèves ne peuvent pas agir sur le modèle et le faire évoluer à la lumière de nouvelles données. B. Les approches antérieures L'intérêt porté à l'utilisation pédagogique des banques de données géologiques et de leur traitement informatique est déjà ancien. Parmi les domaines explorés nous citons pour mémoire : 1. En 1978, l'étude du micro-thanétien de la Zone Sous-Pyrénéenne dans les secteurs du Mas d'Azil et de Lavelanet (Ariège). L'apport des techniques modernes, satellites et télédétection, explorations et forages sousmarins, sera particulièrement souligné et les outils pédagogiques qui en dérivent s'ajouteront aux moyens traditionnels dont l'intérêt et la valeur demeurent. L'informatique apportera son concours au fur et à mesure de l'édition des logiciels : banques de données sur les séismes et le volcanisme, exécution de coupes et de blocs-diagrammes, simulation des mouvements de la lithosphère, clés de détermination, (supplément au B.O. n°21-2 juin 1988). Les données correspondaient à des descriptions lithologiques et paléontologiques provenant de l'examen de lames minces réalisées à partir d'échantillons récoltés sur le terrain à travers deux profils. Le traitement appliqué consistait en une analyse factorielle des correspondances. L'interprétation des résultats faisait apparaître des associations biologiques et leur relation avec le milieu conduisant à la réalisation d'un schéma de reconstruction des biotopes du thanétien. La comparaison entre deux sites mettait en évidence deux biotopes différents dans le bassin pyrénéen. Dans cette étude, l'utilisation de l'informatique s'est limitée à la saisie d'un fichier de données et au lancement d'un traitement mathématique complexe et long mais le travail n'aurait pas pu être envisagé sans son concours. 2. En 1984, l'étude de la transformation des roches métamorphiques à l'aide du logiciel T R A M E créé à cet effet. A partir de données concernant le massif des Trois Seigneurs (Ariège), l'objectif était de retrouver les conditions de pression et de température subies par les roches de ce massif. Un premier module, à but didactique réalisait un apprentissage de l'utilisation des diagrammes triangulaires et des données géologiques. Un deuxième module donnait accès aux données de terrain, aux documents des réactions chimiques expérimentales, aux diagrammes tétraédriques des minéraux et des roches, aux graphiques de pression et de température, aux courbes d'apparition et de disparition des minéraux afin que les élèves puissent retrouver les conditions de formation des roches. Ecrit en LSE, le logiciel fonctionnait sur PC à écran graphique monochrome. Elaboré pour fonctionner de façon interactive, il laissait aux élèves une certaine autonomie de recherche. 3. En 1987, l'étude de la zone Nord-Pyrénéenne des Pyrénées centrales à partir d'images satellitaires associées à des données géologiques : réseau hydrographique, profils sismiques, données gravimétriques. Le traitement des images était réalisé avec le logiciel TITUS. L'utilisation d'images satellitaires en géologie implique des traitements spécifiques. La restitution en composition colorée, suivant différentes combinaisons de canaux fournit une carte géologique indirecte issue de la carte d'occupation des sols. L'application de filtres directionnels permet d'extraire les linéaments. A la complexité de ces traitements il faut ajouter que les modes d'impression disponibles dans l'éducation ne sont pas suffisamment fins pour permettre l'analyse précise de ces informations. L'ensemble de ces travaux nous ont confortés dans l'intérêt d'une approche des phénomènes géologiques à partir de données provenant des différents domaines de la géologie et de la géophysique, et ont orienté les explorations effectuées depuis trois ans. C. Les objectifs Nous nous sommes fixés pour principal objectif de mettre au point des activités nouvelles permettant d'aborder les grands faits de la tectonique des plaques, notamment la subduction, à l'aide des logiciels de représentation et de modélisation utilisés dans les milieux professionnels ou dans la recherche, et avec des banques de données multi-sources, notamment géophysiques (gravimétriques, sismiques, volcaniques et bathymétrique). En partant des données relatives à une même région, les élèves auront à choisir les traitements et visualisations adaptés, en dégager des informations, y associer d'autres informations apportées de façon plus conventionnelle (documents papiers de cartes du Moho ou de profils de sismique réfractionréflexion), construire progressivement un modèle de structure lithosphérique dans une zone de subduction. Cette réalisation active du modèle suscite de nombreuses réflexions sur les paramètres pertinents à prendre en compte, sur l'incertitude de certains d'entre eux, sur certains autres qui seraient utiles mais non encore disponibles. Le modèle peut alors être perçu par les élèves avec son vrai statut de modèle, c'est-à-dire comme une représentation simplificatrice, ponctuelle, fragile et non figée, d'une réalité complexe susceptible d'évolution à la lumière de nouvelles données, et ne constitue donc pas une explication définitive du phénomène ou de la structure étudiée. On peut ainsi faire percevoir que cette représentation est constamment confrontée à la réalité, les nouveaux faits observés permettant de conforter, de réfuter ou de modifier le modèle qui n'est qu'une étape pour continuer l'exploration. Cette approche, qui fait participer activement les élèves à la découverte d'un phénomène et à la construction du modèle, met en oeuvre des qualités d'analyse, d'imagination, de déduction logique, d'esprit critique et une habileté dans l'utilisation des outils logiciels. Elle permet enfin de proposer des activités scientifiques pratiques dans un domaine qui est parfois considéré comme très théorique et dogmatique. Nous avons d'abord envisagé de traiter des principaux concepts de la tectonique des plaques en nous intéressant à une unité géographique, le pourtour méditerranéen. Après avoir recensé les outils de représentation et de modélisation accessibles, rencontré les chercheurs travaillant sur l'arc égéen, cerné les données et réuni les documents scientifiques disponibles, nous avons opté pour l'étude de la subduction de la plaque africaine sous la plaque européenne dans ce secteur. Cette région, de par sa relative proximité géographique, son intérêt touristique et culturel est familière pour beaucoup d'élèves, et pouvait donc être plus motivante. Ce secteur illustre le concept d'une subduction avec fosse, arc externe, arc interne volcanique, bassin marginal en extension comparable à l'arc indonésien ou aux Petites Antilles. II. L E S L O G I C I E L S E T L E S D O N N E E S D I S P O N I B L E S La modélisation de la subduction pour une région donnée nécessite trois types de données essentielles : bathymétriques et topographiques, gravimétriques (l'anomalie à l'air libre), sismiques. Les données géographiques permettent par ailleurs de bien localiser les faits observés. Les outils informatiques recherchés doivent permettre la visualisation des ces données sous forme de cartes (visualisation 2D) ou de blocs diagrammes (3D), la réalisation de profils et la construction de modèles gravimétriques de la lithosphère. Les logiciels à retenir doivent être adaptés à une approche géologique, suffisamment conviviaux pour être mis entre les mains des élèves, utilisables sur les PC équipant les laboratoires de biologie-géologie ou les salles informatiques des lycées, et, enfin, d'un prix de revient en rapport avec les possibilités financières des établissements scolaires. A. Les logiciels recensés 1. Logiciels commerciaux de visualisation graphique a. G D M (Gestion des Données Minières) édité par le B R G M . C'est un gros logiciel modulaire professionnel. Parmi ses nombreuses fonctions, certaines correspondent à nos préoccupations : - les analyses de données, - leur traitement statistique (histogrammes, corrélations, analyse en composantes principales, visualisations graphiques associées), - la digitalisation de cartes topographiques, gravimétriques, géoïde, etc., - la possibilité de superposer deux types de cartes (topographique, géologique, etc.), - la réalisation de graphiques en 2 ou 3 dimensions, - des simulations en fonction des données introduites. Prix : 46 000F pour le noyau GDM et 260 000F pour la version complète. b. U N I R A S . Ce logiciel modulaire est destiné à traiter plus particulièrement des données gravimétriques et magnétiques. A partir d'une base de données, il peut réaliser le profil des anomalies gravimétriques entre 2 points géographiques. Il est alors possible de faire des modélisations en faisant varier l'épaisseur et/ou la densité des couches jusqu'à ce que le profil théorique ainsi obtenu coïncide avec le profil observé. Ce logiciel fonctionne sur les PC, XT et AT. Il utilise la couleur ce qui rend les modélisations en variations de densité très agréables. Les sorties sur imprimante couleur sont possibles. Prix : 40 000 F environ. c. DESCARTES MODELISATION. Il permet des représentations en cartes 2 D et vues 3 D de toutes sortes de données faisant intervenir deux ou trois paramètres. Il peut être utilisé en topographie, en géologie structurale, en géophysique et en hydrologie (nappes aquifères). De conception modulaire, seuls certains modules peuvent être acquis. Il existe une version dite Junior, destinée à un plus grand public, moins spécialisée que la version de base et ne possédant que les fonctionnalités nécessaires à notre objectif. Il est commercialisé par IGA (Informatique et Géophysique Appliquées). Prix en version complète : 14500 F HT. Version Junior : 6950 F HT. d. G R A P H E R . C'est un logiciel de statistiques permettant de traiter n'importe quel type de données et pouvant représenter ces données, brutes, ou traitées sous forme de profils ou de courbes en isovaleurs à 2 dimensions. Il fonctionne sur micro-ordinateur. Prix 4000 F environ. e. S U R F E R . Ce logiciel est implanté dans beaucoup de laboratoires de recherche. Il permet de traiter un large éventail de données et fournit des visualisations en deux et en trois dimensions. Nous avons retenu ce logiciel qui tourne sur un PC parce qu'il présente de plus le meilleur rapport qualité-prix. Nous reviendrons en détails sur ses fonctions. Son prix est, en 1992, de 3 5 0 0 F HT pour l'éducation nationale. S U F E R et G R A P H E R sont d'origine américaine et sont commercialisés par Golden Software aux Etats Unis et par GEOCOM en France. 2. Les logiciels de modélisation Ce sont généralement des outils écrits par les chercheurs ; ils sont adaptés au traitement des diverses données gravimétriques, magnétiques, topographiques. a. Le logiciel écrit par P . G E N T H O N chercheur au C N E S traite des données gravimétriques avec simulations et modélisations gravimétriques de la lithosphère, mais il ne possède pas d'environnement interactif agréable. Il ne permet que l'impression en noir et blanc (pas de visualisation couleur sur écran). Ecrit en F O R T R A N , il ne fonctionne que sur de gros systèmes. Son transfert est difficilement envisageable sans modifications importantes. b . Les logiciels écrits par les ingénieurs du Bureau Gravimétrique International sont de deux types : - des logiciels d'interprétation des anomalies gravimétriques et de modélisation semblables dans leur conception au précédent, - des logiciel de cartographie pour traiter des données bathymétriques, topographiques, gravimétriques, tracer des courbes en isovaleurs, colorier les zones d'égales valeurs, tracer un profil selon une direction donnée. Ils tournent sur de gros ordinateurs et pourraient être transférés sur microordinateur. c. G R A M M A G . C'est un logiciel conçu pour la modélisation à partir de données gravimétriques et magnétiques. Mis à notre disposition par le laboratoire de géophysique et tectonophysique de l'université de Montpellier, ce logiciel sur PC possède des caractères de convivialité et un environnement pédagogique correct. Nous le décrirons de façon détaillée. B. Les données disponibles 1. Nature et origine des données recueillies a. Les données bathymétriques de la région égéenne, sont obtenues par numérisation de cartes aéronautiques dressées à partir de mesures ponctuelles de l'US navy (N A V O C E A N ) . Elles ont été extraites du fichier ETOP05 délivré par l'organisme américain National Geophysical Survey Data Center (NGSDC). b. Les données gravimétriques sont recueillies ponctuellement, aussi bien en mer que sur terre. Les valeurs utilisées ne correspondent pas à l'accélération de la pesanteur mais à la différence entre cette valeur et la valeur théorique que devrait avoir g, compte tenu de la latitude et de l'altitude de la mesure. C'est donc l'anomalie à l'air libre qui est utilisée. Ces donnée proviennent d'un fichier constitué à l'Institut Fur Erdmessung (Hanovre R F A ) . Les données bathymétriques et gravimétriques nous ont été communiquées par le Bureau Gravimétrique International de Toulouse. c. Les événements sismiques sont enregistrés généralement à distance, par des réseaux de stations. Nous avons limité les paramètres utilisés, aux coordonnées du foyer, à la profondeur et à la magnitude de l'événement. Afin de limiter la taille du fichier, les séismes de faible magnitude, les plus nombreux mais pas les plus significatifs pour la subduction car ils sont surtout superficiels, n'ont pas été retenus ; seuls les séismes de magnitude supérieure à 4,5 sur l'échelle de Richter figurent dans le fichier utilisé. Les données brutes sont collectées par des organismes nationaux et internationaux qui les diffusent après traitement. Les données sismiques mondiales sont éditées par l'US Geological Survey sur CDROM. Les données utilisées ne sont pas brutes : elles ont subi des traitements correcteurs spécifiques à leur nature ou au type d'exploitation envisagé. Ainsi, si l'objectif est de générer des cartes ou des vues en trois dimensions de la bathymétrie, à l'aide de logiciels graphiques, il convient d'avoir des séries de valeurs disposées aux noeuds d'une "grille" régulière. Bien entendu, il est exclu d'adopter une telle contrainte lors de la collecte des mesures qui sont tributaires des trajets des bateaux (fig. 1). JUPON gravimétriques Fig. 1.- Trajets des bateaux lors des relevés des anomalies permettant de constituer le fichier initial de données ponctuelles. Région du Japon. C'est un traitement spécifique qui permettra de calculer la grille régulière en interpolant les valeurs ponctuelles mesurées. Les résultats dépendent de la densité des mesures, du pas de la grille, de l'algorithme de recherche des points, et surtout de la méthode mathématique appliquée. Ce calcul est parfois très long et de toute manière il n'est fait qu'une fois en préalable à toutes les exploitations : cartes, vues 3 D , et coupes. Ici, pour la topo-bathymétrie et la gravimétrie, le BGI nous a fourni des données déjà interpolées au pas de 10 minutes. Certains traitements enfin ne concernent que la présentation informatique des nombres et l'aptitude des logiciels à produire ou à consommer des formats particuliers, c'est le cas pour les séismes. Les contours géographiques sont obtenus par numérisation de cartes. Il est possible de réaliser soi-même ces fichiers contours ou de les acheter. 2. Format, volume et préparation des données Les formats de fichiers doivent être adaptés aux particularités des logiciels mais sont parfois différents d'un type de fichier à l'autre selon la nature ou l'origine des données. Deux cas peuvent se présenter : soit les données sont sous forme de grille régulière, soit ce sont des données ponctuelles. a. Fichiers topo-gravimétriques et gravimétriques Ces fichiers sont utilisés par SURFER pour les représentations en courbes isovaleurs ou en blocs diagrammes. Ils doivent être constitués de grilles régulières et ne contenir qu'une en-tête et les valeurs calculées aux noeuds de la grille. Le logiciel reconstitue la localisation à partir de l'ordre des valeurs et des informations de l'en-tête. Le premier nombre correspond à l'angle sudouest de la zone et les suivants se lisent d'ouest en est et du sud au nord. La première ligne décrit ainsi le bord sud de la zone. Exemple : Grille d'anomalies gravimétriques * les commentaires situés après les * ne font pas partie du fichier. * anomalies gravimétriques interpolées sur toute la carte (kriging). DSAA * entête Surfer 73 43 * nombre de colonnes, nombre de lignes 32 144 * min X, max X (degrés) 31 38 * min Y, max Y (degrés) -8964.0 2390.0 * min Z, max Z (mètres) -1509.0 -1986.0 -2487.0 -2946.0 -4284.0 -4718.0 -4689.0 -4716.0 -4663.0 -4623.0 -4615.0 -4509.0 -4498.0 -4457.0 -4426.0 -4403.0 -4373.0 -4341.0 -4327.0 -4316.0 -4275.0 -4190.0 -4170.0 -4215.0 -4307.0 -4409.0 -4496.0 -4535.0 -4523.0 -4527.0 -4486.0 -4243.0 -4208.0 -4208.0 -4243.0 -4199.0 -3994.0 -3975.0 -3952.0 -3460.0 -2799.0 -2714.0 -1697.0 -1062.0 -1493.0 -1362.0 -1480.0 -1504.0 -1466.0 -1519.0 -1750.0 -1980.0 -2239.0 -2502.0 -2798.0 -2994.0 -3024.0 -3515.0 -4020.0 -4875.0 -5723.0 -7056.0 -8633.0 -7992.0 -7021.0 -6709.0 -6228.0 -5830.0 -5607.0 -5632.0 -5655.0 -5684.0 -5743.0 * FIN de la première ligne de la grille Dans ce format ASCII les nombres (8 caractères) sont séparés par un espace ; il y a 10 valeurs par ligne de texte, un retour chariot après la 73ème valeur (une ligne de la grille occupant ici 8 lignes de texte). Lorsque seules des données ponctuelles sont disponibles, celles-ci sont regroupées dans un fichier texte (ASCII) où chaque ligne décrit un événement, l'ordre des lignes étant indifférent . Exemple : fichier d'anomalies gravimétriques 22,083 39.950 41.0 22,250 39.950 34.3 22,417 39.950 28.3 22,583 39.950 28.7 Sur chaque ligne : longitude, latitude et valeur de l'anomalie. La conversion d'un fichier initial de données ponctuelles en grille régulière à l'aide du module G R I D n'est à réaliser qu'une seule fois, les travaux ultérieurs de représentation des données se feront à partir du fichier interpolé régulier. b. Fichiers sismiques Le cas des données sismiques est un peu différent : seules les données ponctuelles sont utilisées pour dresser des cartes ou des profils, il n'y a pas d'interpolation des données. Le fichier SEISME nécessaire au travail envisagé ne comporte que quelques paramètres. Chaque ligne contient longitude, latitude, profondeur du foyer en kilomètres et magnitude. Ces paramètres sont extraits de la base de données, sur support C D R O M , à l'aide des logiciels d'accompagnement. Ne peuvent être retenus que les séismes qui répondent à certains critères : zone géographique, magnitude, type d'événement, etc. mais l'utilisateur ne maîtrise pas la liste des paramètres associés à chaque séisme. Le fichier généré doit être à nouveau passé au crible afin de ne conserver que les 4 paramètres utiles. Cette reprise peut se faire sous D B A S E qui permet d'extraire les 4 champs indispensables tout en éliminant les événements dont on ne connaît pas la magnitude. Exemple : fichier de séismes (données sélectionnées). longitude latitude 20,00 40.00 profondeur magnitude 0.00 6.50 23,00 40.00 0.00 5.25 23,00 40.00 0.00 5.25 23,25 40.00 0.00 6.90 23,30 40.00 0.00 5.38 24,00 40.00 80.00 6.00 c. Fichier contours SURFER admet ici aussi des données sous forme de texte où chaque contour est décrit comme une suite de segments dont on connaît les coordonnées dans le repère de la carte. Exemple : fichier de contours 7 1401 * nombre de points du premier contour et identificateur de type de ligne. 30.29 31.24 * coordonnées du premier point 30.28 31.26 30.16 31.22 30.15 31.27 30.05 31.32 29.09 30.82 29.03 30.83 13 1401 * nombre de points du deuxième contour. Le logiciel G R A M M A G exige un format particulier pour le "fichier d'anomalies". Les colonnes 1 et 2 contiennent les coordonnées de chaque station le long du profil (x, y), la colonne 3 contient l'altitude de chaque station, la colonne 4 la valeur de l'anomalie et la colonne 5 l'erreur sur la mesure de l'anomalie. C. Les logiciels utilisés Pour réaliser l'étude de la subduction à partir de l'ensemble des données accessibles, nous avons utilisé les deux logiciels disponibles, S U R F E R et G R A M M A G ; en outre, plusieurs outils complémentaires ont du être été écrits. En effet, les différentes données fournies par le BGI ou extraites de CDROM ne sont pas directement utilisables par les logiciels, il faut donc convertir les fichiers initiaux en fichiers ayant un format lisible par les logiciels SURFER et GRAMMAG. D'autre part, l'exécution de taches spécifiques, indispensables, a conduit à la conception du logiciel de réalisation de coupes, C O U P E R . De plus, aucun logiciel n'a été trouvé se prêtant à la visualisation en 3 D des séismes, ce qui nous a amenés à concevoir le logiciel P O L Y D E S . Enfin un menu intégrateur permettant des accès rapides et conviviaux aux différents outils et fichiers s'est avéré nécessaire. 1. SURFER : logiciel de traitement et de visualisation graphique S U R F E R Access System Version 4.14 C o p y r i g h t (c) Golden Software Inc. 1989 (MAIN MENU) 1 1 1 T T TOPO SURF GRID VIEW PLOT UTIL r ± Visualisation du document Interpolation et calcul d'une grille régulière CARTES BLOCS DIAGRAMMES QUIT ± Calculs annexes Impression Fig. 2.- Fonctions du menu principal de SURFER. Surfer calcule et représente des séries de valeurs continues sous forme de cartes ou de blocs diagrammes. Les représentations sont uniquement vectorielles, "fil de fer" désormais classique, donnant des images fixes ne tournant pas en temps réel. Il comporte plusieurs modules accessibles depuis un module intégrateur ou, directement, si l'espace mémoire est insuffisant. Chaque module donne accès à de nombreuses pages écran proposant des modifications de paramètres de représentation et d'environnement graphique : titres, textes etc. L'état du travail en cours peut-être visualisé à tout moment et rapidement en activant la touche F2, ce qui permet de juger immédiatement de l'effet de la modification apportée. Seuls les trois premiers modules, G R I D , TOPO et SURF sont nécessaires au travail envisagé. a. Module GRID Le module calcule (interpole) une grille régulière à partir de données d'observation réparties irrégulièrement (X, Y, valeur). En entrée, les données sont saisies au clavier ou lues dans un fichier ASCII. On peut choisir le nombre de lignes, de colonnes, les valeurs mini ou maxi à prendre comme limites, la méthode de calcul et les paramètres associés. En sortie, le fichier contient uniquement les valeurs interpolées aux noeuds de la grille. Trois méthodes d'interpolation sont proposées. Les calculs s'effectuent sur un rayon donné autour de chaque point et prennent en compte un nombre maximum de points. "INVERSE DISTANCE" : technique de moyennage pondéré, respecte les sommets en accentuant les différences, KRIGING" : technique géostatistique de calcul d'autocorrélation, respecte les sommets et n'accentue pas les différences, c'est le mode de calcul que nous avons retenu, "MINIMUM CURVATURE" KRIGING h 0 KRIGING n'accentue pas les reliefs, en lissant les données. INVERSE | 0 DISTANCE INVERSE DISTANCE MINIMUM l 0 CURVATURE MINIMUM CURVATURE Fig. 3 . - Représentations obtenues en 2D et 3D après les trois traitements possibles d'un même fichier initial par GRID. b. Module TOPO Ce module permet de visualiser sur écran ou d'imprimer à partir des données de la grille, une carte d'isovaleurs. Les valeurs des courbes sont spécifiées en donnant les valeurs minimum, maximum et l'intervalle entre deux courbes. La fréquence des courbes maîtresses, avec étiquette, peut être modifiée. De même, il est possible d'affecter des couleurs différentes à des ensembles de courbes pour différencier des zones de valeurs. Un texte (titre, légendes, échelle), un fichier de contours (côtes, rivières, villes), peuvent être superposés. [TOPO) Input t Nom fichier Sélection sous image. Level Scale Conline Text Border XYLine Mesch Post Echelle carte Texte bordures et couleurs Couleur des courbes Sélection minimum, j maximum,équidistance document des courbes de niveau e Fig. 4.- Fonctions du module TOPO x t e s u r Quadrillage écran Superposition contour geographique Output Préparation pour impression Superposition symboles sur documents de SURFER. Fig. 5.- Carte de la bathymétrie de la région êgéenne réalisée par le module de SURFER. Equidistance des courbes de niveau : 200 mètres. TOPO c. Module SURF Ce module produit des représentations 3 D à partir d'une grille. Il est possible de choisir : le type de projection (orthogonale ou perspective), l'angle de rotation par rapport à l'axe des X, et l'angle de visée. Comme précédemment le choix des couleurs est possible ainsi que l'adjonction d'un texte. Des fichiers de commandes, définissant un certain nombre de paramètres fixes peuvent être créés à tout moment, à partir des deux modules TOPO et SURF pour être réutilisés lors de travaux ultérieurs. (SURF) , n P u t V i e w LineTyp BaseText Nom de fichier Choix des reSélection sous-| présentations image. Choix paramètres de projection : angle d'élévation, angle de vue. I Axes Size XYLine Post Output Environ Texte sur document Définition dimention image Superposition symboles sur document Coordonnées Création des axes Superposition d'une base contour géoau bloc graphique angle de vue Choix couleur] écran, taille caractères... etc.. Préparation sortie impression pour PLOT 90° 1 1 e,o /"~HXw * — f d'élévation 0° -| 1 i 270° Fig. 6.- Fonctions du module SURF de SURFER et illustration du type de projection possible. d. Module PLOT C'est le module de transcription des fichiers créés par TOPO ou SURF en vue d'une sortie sur n'importe quel périphérique, imprimante ou traceur. D'autres modules permettent d'effectuer des calculs et de configurer les périphériques. ARC EGEEN RHODES Fig. 7.- Blocs diagrammes de la topo-bathymétrie et de l'anomalie gravimétrique à l'air libre réalisés par le module SURF de SURFER et superposés sur un même écran.Vue du sud-ouest sous un angle de 20° audessus de l'horizon. 2. GRAMMAG : logiciel de modélisation graphique Le logiciel G R A M M A G a été conçu par Benoît de C A B I S S O L E à l'USTL de Montpellier pour sa thèse sur la modélisation de la subduction de la plaque lithosphérique ibérique sous la plaque européenne. Ce logiciel comporte deux modules, un pour réaliser des modélisations gravimétriques, un autre pour les modélisations magnétiques. Seul le premier module a été exploré et utilisé. Conçu de façon interactive, GRAMMAG présente des fenêtres dans lesquelles il convient de sélectionner l'action désirée. Deux grands types d'activités sont envisageables, soit la création d'un nouveau modèle, soit la modification d'un modèle existant. La modélisation est directe et en 2 dimensions. Le logiciel calcule la réponse gravimétrique de formes polygonales et la compare à la courbe des valeurs observées le long d'un profil (ou extraites d'une grille lissée le long de ce profil). a. Création d'un nouveau modèle MODELISATION MENU PRINCIPAL A DEUX DIMENSIONS Déplacez-vous avec les flèches Haut/Bas ou avec la souris. DEFINITION ENVIRONNEMENT Validez par <ENTER> / bouton gauche TYPE DE CALCUL DEFINITION ANOMALIE Annulez avec <Echap> bouton Droit DEFINITION DE LA STRUCTURE DEFINITION DES POLYG DEFINITION STRUCTURE MODELISATION GRAPHl] Par défaut MISE A L'ECHELLE par l'utilisateur IMPRESSION PARAMETRES STRUCTURE FIN Origine Extension Profondeur min Profondeur max Modèle de référence Retour Fig. 8 . - Logiciel GRAMMAG. Fenêtres du menu principal permettant définir la structure de référence du modèle. de Après avoir choisi, à l'aide du menu principal, le fichier de l'anomalie gravimétrique qui devra être modélisée, il faut définir la structure lithosphérique de référence en précisant le nombre de couches pris en compte, les épaisseurs et les densités. Le logiciel part en effet d'une structure en couches régulières. L'option modélisation graphique permet de faire apparaître les fenêtres graphiques : la fenêtre supérieur affiche la courbe de l'anomalie gravimétrique observée et la courbe de l'anomalie gravimétrique calculée par le modèle, qui sera horizontale et égale à zéro avant le début de la modélisation : la fenêtre inférieure sert à l'élaboration du modèle. La modélisation est réalisée par construction à l'écran, avec la souris, de polygones dont le contraste de densité par rapport à la structure de référence aura été préalablement indiqué. Le logiciel calcule ensuite la réponse gravimétrique induite par le corps représenté. Les contrastes de densité sont exprimés en g/cm ; l'anomalie gravimétrique en mgal. 3 Il est possible de modifier la forme et le contraste de densité d'un corps qui est repéré par son numéro d'ordre de création. Le calcul de l'anomalie qui en résulte permet rapidement de juger de l'effet de la modification. G R A M M A G génère un fichier CORPS contenant la description des polygones construits qui sera sauvegardé en fin de travail. Afin d'accélérer la modélisation, le logiciel COUPER, qui génère la courbe de l'anomalie gravimétrique à partir du fichier de la gravimétrie, prépare les polygones de l'eau à partir du fichier de la bathymétrie. C'est donc sur une amorce de fichier CORPS où la réponse gravimétrique en résultant est déjà calculée que va s'effectuer le travail de modélisation. La création des "corps eau" permet un meilleur repérage géographique sur l'écran, mais surtout évite des erreurs de modélisation. En effet le contraste de densité entre l'eau (1,03) et la première couche lithosphérique (2,7 en moyenne) est élevé ; la bathymétrie de ce fait influe grandement sur l'anomalie gravimétrique. b. Modification d'un modèle existant Il suffit d'entrer directement dans l'option de modélisation graphique et d'appeler le fichier modèle correspondant. MENU PRINCIPAL Déplacez-vous avec les flèches Haut/Bas ou avec la souris. / bouton gauche DEFINITION ENVIRONNEMENT TYPE DE CALCUL MODELISATION DEFINITION ANOMALI Sans fichier modèle DEFINITION DE LA STRU< Lecture d'un fichier modèle DEFINITION DES POLYG MODELISATION GRAPHIQUE F1 = AIDE MISE A L'ECHELLE IMPRESSION FIN pp> bouton Droit MODIFICATION DU MODELE Change les caractéristiques Modification des polygones Ajout de polygones Suppression de polygones Déplacements de polygones Duplique les polygones Rotation des polygones Dilatation/Compression des polygones Edition de polygones Ajoute un fichier contours Modifie les paramètres SUITE Fig. 9.- Logiciel GRAMMAG. Fenêtres permettant d'accéder aux options de modification d'un modèle existant. Fig. 10.- Modélisation d'une anomalie gravimétrique sans fichier modèle. Fenêtre du haut : courbe de l'anomalie observée le long d'un profil et courbe calculée, ici encore horizontale puisqu'aucun polygone n'est encore défini. Fig. 11.- Le long du même profil figuration de la bathymétrie. Les polygones de l'eau ont été générés par COUPER. La courbe de l'anomalie gravimétrique calculée reflète la conséquence de la bathymétrie sur la gravimétrie. 3. COUPER : logiciel de réalisation de profils Ce programme qui travaille constamment en mode graphique réalise des profils topographiques, gravimétriques, sismiques ou autres, à partir des fichiers correspondants, et génère des fichiers directement utilisables par le logiciel G R A M M A G . L'utilisateur peut visualiser la disposition du profil sur le fond de carte, les points de mesure et les paramètres, afficher, imprimer ou tracer les résultats. Il peut modifier les paramètres de calcul et la position du trait de coupe au moyen de la souris et contrôler aussitôt les effets de ces choix. Nom du fichier Fig. 12.- Fonctionnalités Extrémité Origine X1 Y1 X2 Largeur de Y2 du logiciel COUPER. JAPON 0 a 'lOO^, '200 "300 '-100 BATHYMETRIE "600 '600fiP'700 . ^ JAPON SEISMES -il33 AM d3§ i!3é à3? .138 Fig. 13.- Profils bathymétrique, gravimétrique Japon. Logiciel COUPER. .139 ,H0 .Hl .H2 d«qr<s Ej et sismique dans la région du 4. POLYDES : logiciel de visualisation des séismes P O L Y D E S projette sur l'écran un ensemble de points dont on connaît les coordonnées dans l'espace. Une fois projeté, cet ensemble peut subir des rotations en temps réel. La manipulation interactive rapide en trois dimensions permet de rechercher visuellement la structure du nuage de points. Concernant les séismes, la recherche visuelle permet d'orienter la recherche des meilleurs emplacements pour effectuer un profil sismique. Le nombre des points (foyers des séismes) affichés simultanément est modifiable en fonction d'une quatrième valeur (magnitude) choisie interactivement Le repère (3 axes) des rotations est choisi par l'utilisateur : repère lié au nuage lui-même ou lié à l'écran. La couleur des points varie avec la distance à l'observateur (8 couleurs sont utilisables). Le repérage est facilité par l'affichage simultané d'un contour géographique. Ce logiciel peut aussi animer des structures "fil de fer" ; il fonctionne uniquement sur écran VGA couleur. FICHIER palette Fig. 14.- Visualisation des hypocentres des séismes dans la région du Japon. Vue de dessus donnant en fait la répartition géographique des épicentres et montrant une très forte densité le long de la fosse du Japon. e I» W QUITTER FICHIER palette Fig. 15.- Visualisation des hypocentres des séismes dans la région du Japon. Vue du sud-est sous un angle de 20°au-dessus de l'horizon. Les deux plans de Wadati-Benioff apparaissent clairement. A gauche celui de la plaque des Philippines en subduction, caractérisé par un faible pendage, à droite celui de la plaque Pacifique en subduction, caractérisé par son fort pendage. 5. M E N U G E O : module intégrateur Ce module organise l'accès à l'ensemble des programmes et des données. En effet, du fait de leurs diverses origines, les logiciels utilisent et produisent de nombreux fichiers qu'il faut gérer de façon fiable et transparente pour les utilisateurs. Ce programme libère des problèmes syntaxiques et intègre complètement la gestion des accès aux données et aux programmes. Les principes organisateurs sont les suivants : - permettre à tout utilisateur de lancer un traitement sans avoir à se préoccuper de l'organisation du disque dur, - protéger les données initiales et les programmes, - faciliter l'accès à des répertoires prévus pour les utilisateurs, sur disque dur ou sur disquette personnelle. Le programme M E N U G E O actuel réalise une partie de ces fonctions tout en libérant complètement l'espace mémoire pour les différentes applications. La future version permettra également de fonctionner dans un environnement réseau et d'accroître ainsi la fiabilité de l'ensemble. AIDE CATALOGUE ANDES \ QUITTER 1r j CONSTRUIRE BLOCS REALISER PROFILS MODELISER DONNEES MAGMATIQUES VISUALISER LES SEISMES GEO.CMD topo/localisations géographiques GRID.CMD GRID initial SURF.CMD répertoire travail surf initial région p r o g r a m m e c o m m a n d e s Fig. 16.- Menu intégrateur : l'utilisateur choisit une région, une activité, un fichier de travail le programme assure le lancement du logiciel correspondant et le retour à ce menu en fin d'activité. DONNEES INITIALES POUR UNE REGION Utilitaires : mise au format s SURFER ( w Données ponctuelles BATHYMETRIQUE! SURFER SURFER COUPER GRAMMAG REPRESENTATIONS DES MODELES CALCULES 'ig. 17.- Schéma général de la chaîne de traitement de données. III. LA DEMARCHE PEDAGOGIQUE A l'aide de ces outils informatiques et de ces banques de données nous avons défini une démarche pédagogique possible où alternent des parties de cours qui permettent d'aborder les notions géophysiques utilisées, gravimétrie, sismique expérimentale, mécanismes au foyer, et des activités pratiques en salle informatique où les élèves vont créer leurs propres documents et tenter de modéliser. L'expérimentation est précédée de l'étude de la structure du globe et de la tectonique des plaques. Les élèves disposent d'une fiche pédagogique d'utilisation des logiciels valable pour l'ensemble de la démarche et, pour chaque TP, d'une fiche guide indiquant les différents sous-menus du logiciel à utiliser et les consignes de travail pour l'activité du jour. Le travail s'effectue par groupes de 2 à 3 élèves par machine. A. Présentation géographique Il s'agit d'une simple description des caractéristiques géographiques à partir de la carte affichée à l'écran. La région étudiée est comprise entre 20° - 30° de latitude E, et 31° - 40° de longitude N.Elle se situe entre la Libye au sud, la Grèce à l'ouest, la Turquie à l'est. L'île de Crète sépare cette région en 2 parties, au nord la mer Egée jalonnée par un arc insulaire volcanique, les Cyclades, présentant la forme d'un arc de cercle centré sur 38 5°N -26° E et au sud la mer de Libye. Fig. 18.- Carte géographique de la région égéenne. TOPO de SURFER. B. Bathymétrie Les caractéristiques bathymétriques vont être dégagées en utilisant les logiciels SURFER et COUPER. Le module TOPO de SURFER sert à visualiser les données sous forme de cartes (2D). Les élèves accèdent à différentes options qui leur permettent de fixer : - les altitudes ou les profondeurs minimum et maximum, - les intervalles des courbes, - les couleurs des courbes en fonction des profondeurs. En faisant varier ces paramètres ils peuvent : - afficher la carte de la bathymétrie et de la topographie, - afficher la carte de la bathymétrie seule avec différentes d'intervalles et 7 domaines de profondeur, valeurs - choisir des couleurs différentes pour les zones profondes et les zones peu profondes ; faire apparaître les unes, les autres, ou les deux simultanément. Fig. 19.- Représentation 2D de la bathymétrie de l'Arc Egéen par le module situées TOPO de SURFER. Zones comprises entre 0 et - 2500 mètres essentiellement au nord de l'arc. La zone moins profonde en mer de Lybie correspond à la ride méditerranéenne. Fig. 20.- Représentation 2D de la bathymétrie de l'Arc Egéen par le module TOPO de SURFER. Zones comprises entre - 2500 et - 5000 mètres situées essentiellement au sud de l'arc. Le module SURF de SURFER sert à réaliser des représentations en blocs diagrammes (3D). L'option VIEW permet de fixer une direction géographique de la vue en perspective, un niveau d'observation d'un observateur placé audessous du niveau 0, au niveau 0 ou au-dessus du niveau 0. ARC EGEEN TOPOGRAPHIE Fig. 21.- Topographie-bathymétrie de l'Arc Egéen en représentation 3D grâce à SURF de SURFER pour un observateur situé au Nord-Est 20° au-dessus de l'horizon. Le Logiciel C O U P E R permet la réalisation de coupes selon différentes directions. Les coordonnées des extrémités de la coupe s'affichent au bas de l'écran, et la coupe est matérialisée par un trait sur la carte. Cette coupe résulte de la projection des valeurs comprises dans une bande de part et d'autre du trait de coupe. Plusieurs essais sont possibles. Fig. 22.- Profil topographique-bathymétrique réalisé par COUPER. Les documents les plus représentatifs sont tirés sur imprimante ou table traçante et constituent des documents originaux produits par chaque groupe de travail Ils sont ensuite interprétés par écrit pour dégager les caractéristiques géographiques et bathymétriques. L'examen des documents réalisés (cartes, blocs diagrammes et profils) permet de déterminer deux domaines aux caractéristiques différentes et dont l'arc insulaire est la limite : - au sud de la Crète, un domaine profond, avec des fosses dépassant 3000m de profondeur dessinant un angle de 110°, ce sont les Fosses Helléniques. Elles comprennent à l'ouest, la fosse de Matapan dirigée N O - S E , et à l'est les fosses de Pline et de Strabon dirigées O N O - E N E . Au sud de cet arc, un relief sousmarin de 500 à 1000m d'amplitude borde l'arc hellénique, c'est la ride méditerranéenne. - au nord de la Crète un domaine peu profond, le bassin Egéen qui se divise en deux régions, séparées par les Cyclades : - la mer Egée au nord, 500m de profondeur en moyenne, comprenant un secteur septentrional constitué de fosses de -1500m de direction ENE-SSO, - la mer de Crète au sud, plus profonde, -2500m en moyenne. C - Mise en évidence d'une relation bathymétrie-gravimétrie Les élèves en utilisant les mêmes fonctionnalités du sous menu L E V E L de dans S U R F E R affichent les anomalies gravimétriques sous forme de courbes en isovaleurs. Pour mieux distinguer les zones à anomalies négatives et les zones à anomalies positives, ils peuvent choisir des couleurs différentes de courbes, ou mieux ne faire apparaître qu'un seul type d'anomalie, négative ou positive. La coupe gravimétrique associée à la coupe bathymétrique peut être tirée sur le même document avec le fond géographique à l'aide du logiciel C O U P E R . L'examen des documents gravimétriques fait apparaître deux ensembles : TOPO - au nord de la Crète, des anomalies positives (bathymétrie faible) avec un maximum au centre de la mer Egée, - au sud, des anomalies négatives avec les valeurs les plus faibles (<= 200 mgal) constituant une ceinture au niveau des fosses. Le secteur de la ride méditerranéenne présente des valeurs légèrement plus élevées (-100, -50mgal). ARC EGEEN GRAVIMETRIE f o 6 e e de LIBYE CRETE STRABON Fig. 23.- Bloc diagramme des anomalies gravimétrique à l'air libre. Vue qu'aurait un observateur placé au nord-est 20° au-dessus de l'horizon. SURF du logiciel SURFER. Fig. 25.- Carte des anomalies gravimétriques à l'air libre négatives de -300 à 0 mgal Ces anomalies négatives sont localisées au sud de l'arc insulaire, en mer de Libye. Module TOPO du logiciel SURFER. 54 MODELlSATICN Cl4NS LES ZONES DE SI.JBCXJCTK)N - - - - - - - - - - 37 D 35 60 -0 -5 33 ; - ,---"\~. . l J -~ l--... ~- -.---------=---------.--.--~- - - - - - - - - - - - - .-j "\. -100 ~O ..... ----..... -IO-O-~O"'---o- ,/ 1=4~~ilC~-Qt...:~3ilQ ----!-IOO _______ ......... .,"-' _,.' ANOMALIE AIR LIBRE ,500 ... ___ .-'r __ a4:_~'___ :. . I~ voo- &QQ. o. BATHYMETRIE Fig. 26 .- Profils topo-bathymétrique et d'anomalie gravimétrique à l'air libre réalisés le long d'une même direction et superposés. Logiciel COUPER. La comparaison des documents topo-bathymétriques et gravimétriques met en évidence une corrélation entre les représentations gravimétriques et bathymétriques. Les zones profondes présentent une anomalie gravimétrique à rair libre négative, les zones moins profondes présentent une anomalie gravimétrique à l'air libre positive. Ces constats conduisent à rechercher des hypothèses explicatives : les valeurs négatives observées au niveau des fosses représentent un déficit important de masse ; les valeurs positives de la mer Egée pourraient correspondre à une remontée mantellique dans une écorce amincie. D. Recherche de données complémentaires 1. Données de sismique naturelle Deux activités sont proposées aux élèves afin qulils définissent les caractéristiques de répartition spatiale des séismes : l'analyse des cartes de distribution géographique des épicentres et des hypocentres des séismes. Plusieurs cartes de répartition des épicentres peuvent être examinées. D'une part, l'ensemble des épicentres avec quatre symboles et couleurs différents utilisés en fonction de la profondeur des hypocentres. D'autre part, quatre cartes représentant la répartition géographique des épicentres par domaines de profondeur des hypocentres : séismes superficiels, moyennement profonds, profonds et très profonds. Fig. 27.- Carte de répartition des épicentres des séismes de magnitude supérieure à 4,5. Les symboles indiquent le domaine de profondeur de l'hypocentre. Réalisée avec TOPO de SURFER. Fig. 28.- Carte de répartition des épicentres des séismes de magnitude supérieure à 4,5 du domaine de profondeur des hypocentres 10-40 Km. Réalisée avec TOPO de SURFER. L'analyse des cartes de répartition géographique des hypocentres des séismes met en évidence une répartition non aléatoire : les séismes superficiels dessinent 2 ensembles : au nord de la mer Egée, un ensemble de séismes lié au système de failles anatoliennes, et, au voisinage des fosses, les séismes superficiels localisés dans la partie convexe de l'arc entre les fosses et la Crête, ce nouveau noeud se prolongeant plus ou moins dispersé sous la ride méditerranéenne. Les hypocentres les plus profonds sont situés à l'aplomb de l'arc volcanique externe, coïncidant avec la profondeur de 150km. Ces cartes ne font apparaître que des domaines de répartition des hypocentres. La mise en corrélation des trois types d'informations se fait le long de profils superposés réalisés avec COUPER. Le profil sismique met en évidence l'existence d'un plan de répartition des hypocentres, le plan Wadati-Benioff, prenant naissance au niveau des fosses et plongeant de 30° en moyenne vers le nord. % \ L—?ARC _ 0 i . \ . ;' "^Z. ; : v \ 50 -100 / EGEEN lV--"^-,.y '• 0 jlÛii ,2UU io 'o '200 ANOMALIE ,JUU ,-tUU ,5100 ,éU0 AIR LIBRE ,700 ,800 -\ -3 -4 ? o -30 ' B rrjn&JO I A n T 11 •§Çi^h à -60_ -90 0 H Y y u ^m ^ u u • M '600 E '700 T R s 'oo I E Krfl ' 0 • -I20_ -150 \ Kl ,2 5 ,23 • • ,24 ,25 ,26 ,27 ~~" SEISMES d^gre^C. Fig. 29.- Profils superposés de la topo-bathymétrie, de l'anomalie gravimétrique à l'air libre, et de la répartition des hypocentres des séismes. La taille du symbole est proportionnelle au nombre de séismes recensés. Logiciel COUPER. 2. Données de sismique réflexion-réfraction La connaissance de ces paramètres est indispensable à la phase ultérieure de modélisation. Ils seront dégagés de l'étude de documents proposés de façon plus conventionnelle. La carte du Moho permet de déterminer la limite croûtemanteau supérieur. L'épaisseur des couches de la croûte est déduite de documents de sismique réflexion, la densité de ces mêmes couches peut-être calculée à partir des vitesses des ondes P à l'aide des courbes de N A F E et DRAKE. Fig. 30.- Carte de la profondeur du Moho, limite de la croûte et du manteau supérieur dans la région égéenne. J. MAKRIS1977. CRETE - PARTHENION M Fig. 31.- Document de sismique-réfraction réalisé le long d'un profil sudnord à partir de Parthénion en Crète. Son interprétation donne l'épaisseur des couches et la vitesse des ondes P. J. MAKRIS1977. Fig. 32.- Courbes de NAFE et DRAKE permettant de déduire la densité des couches lithosphériques en fonction de la vitesse des ondes sismiques P. E. Elaboration du modèle L'élaboration du modèle se fera en deux étapes : une préparation sur papier du modèle lithosphérique, puis son transfert sur machine avec le logiciel G R A M M A G qui calculera l'anomalie à l'air libre en résultant et la comparera à l'anomalie gravimétrique à l'air libre observée. Il s'agira donc de tester la validité du modèle proposé par rapport à sa réponse gravimétrique. 1. Réalisation de l'ébauche sur papier Elle s'effectue sur une copie écran de la fenêtre de modélisation et sur une faible profondeur, 50 Km environ, ce qui facilite la mise en place des différentes couches et réduit les risques d'erreurs. Les différents paramètres dégagés des analyses des différents documents créés ou consultés sont pris en compte pour caler le modèle : inclinaison du plan Wadati-Benioff, épaisseur de la croûte lithosphérique donnée par la carte du Moho, épaisseurs et densités des différentes couches. 0 80 160 240 320 400 480 560 640 720 Fig. 33.- Ebauche papier de la modélisation. Travail d'élève. 2. Transfert du modèle sur machine Les élèves, définissent la structure et choisissent le modèle de référence. L'écran propose un cadre de modélisation dans la partie inférieure et présente la courbe des anomalies gravimétriques correspondant à la direction de modélisation choisie par les approches précédentes. Afin de faciliter la modélisation les élèves appellent un fichier modèle qui propose une modélisation sur une faible profondeur, environ 50 km, intégrant déjà la bathymétrie selon la direction choisie. Les polygones de l'eau sont donc déjà représentés (cf. fig. 10). Au-dessus de la fenêtre de modélisation apparaissent en jaune la courbe des anomalies gravimétriques à l'air libre et en rouge la courbe de l'anomalie gravimétrique calculée correspondant au modèle construit. L'élaboration du modèle va être poursuivie en dessinant, avec la souris, des polygones auxquels sont affectés des contrastes de densité par rapport à la structure de référence. Chaque ajout, modification de forme, de contraste de densité d'un polygone ou d'un ensemble de polygones, etc., entraîne un nouveau calcul de l'anomalie et modifie l'allure de la courbe calculée. Le modèle peut-être sauvé en cours de construction et être repris plus tard. Un changement d'échelle de profondeur de 50 à 150 Km est nécessaire pour représenter l'ensemble de la structure. Au niveau de la mer de Crète, la remontée du manteau est liée à un étirement crustal. La ride méditerranéenne correspond à une accumulation de sédiments qui provoque un affaissement de la croûte. 0 80 160 240 320 400 480 560 640 Fig. 34.- Modèle gravimétrique de la lithosphère en subduction dans la région égéenne en cours d'élaboration. Logiciel GRAMMAG. Travail d'élève. 720 80 IfoO 240 3ZO 400 *SO SfcO Fig. 35.- Modèle gravimétrique de la lithosphère en subduction région égéenne. Logiciel de modélisation GRAMMAG. «>40 dans la F. Synthèse : le modèle dynamique La compréhension des mécanismes tectoniques responsables des mouvements de plaques requiert l'analyse des directions et de l'intensité des contraintes déduites de l'étude des mécanismes au foyer. La carte des mécanismes au foyer autour de l'arc égéen fait ressortir une zone de compression de direction SONE au niveau de la fosse de Matapan, une zone de décrochement dans le secteur de la fosse de Pline et une zone de distension dans la mer Egée. Les profils de sismique réflexion confirment : - en mer Egée, un mécanisme d'expansion illustré par l'existence de failles normales, - en mer de Libye, un phénomène de compression responsable, entre autres, de l'empilement sédimentaire observé au niveau de la ride méditerranéenne. k« La synthèse incluant la zone étudiée fait ressortir la dynamique de la région qui est liée : - au mouvement de l'Afrique vers le nord. Il apparait par l'étude des mécanismes au foyer que la partie Ouest de l'arc subit des contraintes entraînant la subduction, alors que la partie Est subit un mouvement transformant senestre. On en déduit que le déplacement relatif de la plaque Africaine par rapport à l'arc Egéen est un mouvement de rotation dont le pôle se situe au NO. La subduction actuelle est due au plongement "spontané" de la lithosphère en raison de sa densité supérieure à celle du manteau. - A l'extension de la mer Egée avec amincissement crustal sans formation de croûte océanique. L'interprétation géodynamique relie le mécanisme de l'extension, provoquée par un écoulement de l'Egée vers la plaque Afrique à la subduction de cette dernière. - Au mouvement de la plaque turque vers l'ouest, qui comprime le bassin Egéen vers l'est et favorise l'extension vers le sud. Fig. 36.- Carte très simplifiée des mécanismes au foyer. Pour chaque région n 'ont été retenus que les mécanismes au foyers les plus fréquents donc les plus représentatifs. IV. DISCUSSION Une partie seulement des logiciels utilisés ont été conçus avec des fonctionnalités correspondant strictement au travail envisagé. Pour une large part, cet essai de modélisation a été réalisé à partir des données disponibles sur divers supports avec des formats variables, et avec les logiciels S U R F E R et G R A M M A G qui sont de conception plus ancienne. Ces outils ne sont pas parfaits. A. Les données Il est toujours fastidieux de devoir transformer des formats de fichiers afin de les rendre acceptables par un logiciel. Le format ASCII x, y, z de données ponctuelles semble faire l'unanimité : SURFER accepte jusqu'à 5 colonnes de nombres réels, COUPER et GRAMMAG utilisent des fichiers similaires. Des données sismiques étant disponibles sur CDROM pour un prix modéré, il devient possible à des établissements d'acquérir ces données sans passer par un intermédiaire. Rappelons cependant que deux C D R O M , du même éditeur, peuvent générer des données à des formats différents et pas très commodes à utiliser avec nos outils. Il n'existe pas d'outils universels de conversion de formats, les programmes correspondants devront donc être réalisés par les utilisateurs. Le travail de mise en forme des données de base n'est réalisé qu'une seule fois, mais il est possible à chaque enseignant de saisir et de traiter ses propres sources de données. B. Les logiciels A l'exception de GRAMMAG, ces logiciels ne sont pas spécifiques et peuvent être utilisés sur d'autres thèmes : représentation et évolution de nappes aquifères au cours du temps, profils divers. Les élèves se sont vite familiarisés avec les différents outils. S U R F E R et C O U P E R ont été utilisés au cours de plusieurs séances de TP. Cette réutilisation des mêmes outils permet un travail beaucoup plus rapide et autonome après la première séance où se fait l'apprentissage. Comme déjà indiqué, chaque groupe est ensuite muni d'une fiche précisant pour chaque TP, quelle fonctionnalité du logiciel il convient d'utiliser et quels paramètres il est possible de faire varier. Il n'en reste pas moins que la syntaxe anglo-saxonne de SURFER peut rebuter ou égarer certains enseignants ou élèves, sans parler du coût du logiciel. Conçu par un chercheur pour son usage personnel, G R A M M A G affiche des messages qui ne sont pas toujours explicites pour un autre utilisateur. 1. SURFER Le logiciel propose des pages écran pour chaque type d'action à effectuer avec les différents modules, ce qui en simplifie l'usage. Seuls deux modules sont utilisés avec les élèves, TOPO permettant des visualisations cartographiques en 2D et SURF des blocs diagrammes en 3D. Afin d'accélérer un peu le travail il a été proposé aux élèves, non des fichiers bruts mais des fichiers en partie paramétrés avec les couleurs des courbes de niveau, les labels, les équidistances, le cadre de la carte. L'activité des élèves est guidée vers la modification des paramètres essentiels pour mettre en évidence les caractéristiques géographiques ou géophysiques de la région étudiée. Ainsi leur initiative est assez large pour la représentation des données bathymétriques et gravimétriques. En revanche, ils n'auront pas accès aux paramètres de modification de la visualisation des séismes, la construction de ces cartes étant beaucoup plus complexe. Une fiche préparée par le professeur doit guider l'élève vers les différentes fonctionnalités à utiliser et lui indiquer les paramètres à faire varier pour analyser les caractéristiques de la région. Pour certains élèves, le fait que ce logiciel soit en anglais semble avoir été un élément de motivation. 2. COUPER Ce logiciel qui permet de réaliser des coupes de manière interactive, présente un nombre limité de fonctions. Son utilisation est donc très simple ; écrit pour cette recherche, il s'avère bien adapté à la démarche pédagogique. 3. POLYDES Le logiciel est d'ergonomie récente et assez facile à utiliser. Il ne permet qu'une approche visuelle et qualitative du phénomène. La réalisation de documents précis, pour déterminer l'angle du plan de subduction, doit être effectuée avec COUPER. 4. GRAMMAG a. Principe de fonctionnement G R A M M A G permet la construction de modèles en contrastes de densité par rapport à un modèle de référence de structure lithosphérique supposée homogène et en plusieurs couches. Il est impératif de choisir un modèle de référence le plus proche possible de la structure étudiée. Si celui-ci s'écarte trop de la réalité, la courbe calculée des anomalies subit une translation verticale : elle ne coïncide pas avec la courbe des anomalies mesurée, elle lui est seulement parallèle. Pour une approche de modélisation avec les élèves, une structure de référence en deux couches s'avère suffisante. Les deux couches retenues sont la croûte et le manteau supérieur soit, en domaine océanique, les densités moyennes de 2,8 pour la croûte et 3,3 pour le manteau. Ce modèle de référence préalablement défini par le professeur est proposé aux élèves. En domaine continental, il faut reconsidérer le modèle de référence, en épaisseurs et densités. Dans sa version actuelle, ce logiciel présente donc plusieurs inconvénients : - les couches du modèle de référence sont horizontales. Quand une même couche géologique est à cheval sur deux couches de ce modèle il faut dessiner indépendamment deux polygones, un dans chaque couche de référence, avec des contrastes de densité différents, et ils apparaîtront avec des couleurs différentes. L'aspect général du modèle achevé n'est pas tout à fait satisfaisant parce qu'une même couche géologique, n'aura pas la même couleur sur toute son épaisseur. - Si le nombre de sommets d'un polygone est trop élevé il y a sortie de l'application pour une raison que nous n'avons pas pu élucider. Ceci fait perdre le travail en cours, c'est-à-dire parfois beaucoup de temps. Il est impératif de sauver régulièrement le modèle pour n'avoir à reprendre, éventuellement, que la dernière partie du travail. Une nouvelle version de G R A M M A G est actuellement en cours d'installation sous U N I X à l'USTL de Montpellier. b. Le modèle et la modélisation Le modèle est d'abord préparé sur papier. Cette étape est essentielle car le modèle explicatif élaboré par les élèves doit jouer le rôle d'intégrateur et de simplificateur des connaissances qui ont été successivement dégagées de l'analyse des documents au cours des différentes séances de travaux pratiques. Les élèves doivent réaliser que le modèle explicatif de structure lithosphérique n'est pas une création sans fondements, mais une construction calée par des données de sismiques naturelle, le plan de Wadati-Benioff, ou de sismique réflexion-réfraction donnant la profondeur du Moho, l'épaisseur des couches, les vitesses de propagation des ondes dont on déduit les densités. Ce n'est que dans un deuxième temps que les élèves vont essayer de valider leur modèle sur machine à l'aide du logiciel, en définissant interactivement les sommets des polygones qui modélisent une partie de la structure lithosphérique. Le logiciel permet aux élèves de tester une hypothèse de structure lithosphérique : la courbe des anomalies gravimétriques qui résulte de la structure proposée est comparée à la courbe des anomalies réellement observées. Grâce à ce calcul immédiat les élèves prennent conscience de la validité de leur modèle et peuvent le faire évoluer en modifiant la forme ou les densités des polygones. L'enseignant n'est plus le simple juge du modèle achevé, il accompagne sa réalisation par les élèves. Les élèves sont arrivés très souvent à des résultats qui se rapprochent plus ou moins des valeurs mesurées. Ce qui importe, pour nous, c'est la démarche aboutissant au modèle bien plus que le résultat lui-même. La correction du modèle vise à ajuster au mieux anomalies calculées et mesurées tout en ne s'écartant pas des données qui contraignent obligatoirement le modèle. Les élèves conviennent aisément qu'il faut rester vigilant pour éviter d'aboutir à des structures fantaisistes ce qui ne saurait manquer de se produire si le modèle n'était pas fondé sur des données géophysiques variées et précises. Cette étape est donc particulièrement importante et délicate. Techniquement, la modélisation peut être rapide si les machines sont équipées de co-processeurs arithmétiques qui sont également très utiles pour accélérer l'élaboration et l'affichage des cartes et des blocs diagrammes. Il est souhaitable que l'équipement soit homogène : si une des machines n'a pas de co-processeur, le travail y est retardé par rapport aux autres groupes. C. Le travail du professeur Sur le plan matériel, la préparation des TP nécessite un travail sur machine pour élaborer des documents qui seront éventuellement distribués aux élèves afin d'accélérer certaines étapes de la démarche ou pour suppléer à toute erreur de manipulation qui ferait perdre le travail en cours, ce qui est exceptionnel. Le tirage sur imprimante des documents réalisés par chaque groupe d'élèves n'est pas toujours réalisable dans la même séance de TP, surtout si le nombre d'imprimantes disponibles est faible, ce qui est souvent le cas. Ce travail purement matériel incombe actuellement au professeur (la possession d'un micro-ordinateur personnel facilite particulièrement les choses). La version réseau pourrait réduire ce temps : chaque groupe d'élèves lance son impression sur l'imprimante unique mais performante, et le logiciel gère la file d'attente. D. Les réactions des élèves Lors de l'application de cette démarche, les élèves nous ont paru apprécier l'autonomie et les initiatives qui leur sont laissées pour créer leurs documents de travail avant de les interpréter. En effet, le travail sur ordinateur permet d'échapper à l'uniformité des documents produits, notamment par la création de cartes diverses, de blocs diagrammes dont les angles de vues peuvent varier d'un groupe à l'autre, ou encore par l'exploration de profils tracés dans différentes directions. Les résultats obtenus entraînent une réflexion sur la pertinence des choix effectués, et alimentent des discussions argumentées entre les membres d'un groupe et entre groupes. L'emploi de l'informatique contribue à donner aux notions abstraites un caractère tangible et réel, grâce aux représentations sous forme de cartes, de blocs diagrammes, de profils, et donc pour faciliter l'acquisition de concepts nouveaux. Dans la phase de recherche nous avons essayé d'explorer toutes les activités possibles avec toute la variété des données en laissant une grande autonomie aux élèves pour l'exploitation des données et l'élaboration individuelle des modèles. De ce fait, l'expérimentation a dépassé le cadre horaire actuel des programmes et a abordé de façon plus approfondie que de coutume les notions géophysiques nécessaires pour traiter du phénomène de subduction. TP. COURS. L'échographie sismique du globe. La naissance d'une théorie. Présentation de la région : Géographie, Bathymétrie. Les apports de la gravimétrie. La gravimétrie. Apports des données sismiques : élaboration d'un modèle structural. Les roches magmatiques volcaniques. Apports des données magmatiques. Calage du modèle. Prise en main du logiciel Méthodes d'étude de la croûte : la sismique terrestre expérimentale. Notions de pétrologie. Le magmatisme. GRAMMAG. Validation du modèle. Les mécanismes au foyer. Le modèle dynamique. Histoire géologique de la région. Fig. 37.- Progression adoptée pour l'expérimentation. Dans une perspective de généralisation il est possible de gagner du temps : - en regroupant les aspects bathymétriques-gravimétriques-sismiques en une seule séance, chaque groupe étudiant et créant les documents d'un seul de ces domaines, avec ensuite une phase de synthèse et de mise en commun des résultats, - en supprimant la partie cinématique à partir de l'étude des mécanismes au foyer permettant de définir le sens des contraintes. Cette étude ne paraît pas indispensable à la compréhension du phénomène de subduction et elle présente un niveau de difficulté plus élevé ; son amputation ne compromet pas la cohérence de ce qui précède. E. Les contenus et les programmes Les notions géophysiques indispensables, gravimétriques et sismiques en particulier n'ont posé aucune difficulté particulière de compréhension. Le niveau de connaissance n'excède pas le niveau moyen que l'on peut attendre d'un élève de première S. Les lois de l'optique qui sont celles qui régissent, en première approximation, la propagation des ondes sismiques sont au programme de cette classe. Les notions de sismique réflexion et réfraction seront d'autant plus faciles à maîtriser que le professeur de Sciences Physiques aura préalablement traité cette partie de programme, ce qui est possible après concertation. La gravimétrie n'est malheureusement enseignée en physique qu'en classe de terminale. L'enseignant de géologie est donc contraint d'y consacrer une partie de son temps. Les notions relatives aux mécanismes au foyer sont difficiles à maîtriser par les élèves. Elles ont été traitées dans un but dynamique, pour déterminer les directions des contraintes et faire une interprétation cinématique du modèle. Dans le nouveau projet de programme, commun à tous les élèves, la part attribuée à la subduction n'excède pas une semaine et les remarques précédentes restent valables. Il est prévu par ailleurs un enseignement modulaire en classe de première scientifique devant permettre de "développer des activités plus autonomes". Mais c'est surtout l'introduction d'un enseignement optionnel, à raison de deux heures de TP hebdomadaires qui fournirait un cadre horaire mieux adapté à la démarche et aux activités proposées. Les orientations pédagogiques que nous avons adoptées correspondent bien aux objectifs définis par la Commission Nationale des Programmes dans le document "Orientations, présentation des programmes, classe de première, biologie-géologie" du 30 Mars 1992, à savoir "privilégier l'activité personnelle et l'initiative des élèves", "le travail en équipes", "la conception et la mise en oeuvre de projets impliquant une recherche personnelle". En outre, ce thème de géophysique se prête bien à un travail interdisciplinaire avec l'enseignant de Sciences-Physiques en particulier. Pour renouveler l'enseignement de la géologie, nous avons essayé de nous référer aux méthodes informatiques pratiquées dans la recherche. Ceci nous a amenés à aborder des domaines spécialisés des connaissances récentes. Si "la science qui s'enseigne" dans les lycées doit être "la science qui se fait" dans les laboratoires de recherche, il n'y a pas rupture entre les contenus et les méthodes des enseignements secondaire et supérieur. Cependant, il convient de signaler que le débat scientifique sur les points abordés est parfois encore vif, les concepts, les méthodes d'investigations et de modélisation étant très discutés.Pour les élèves du secondaire, la science est sensée apporter des explications définitives et sans appel aux phénomènes observés. Il est donc important de les sensibiliser au débat scientifique, de leur faire prendre conscience que la science évolue dans ses concepts et ses méthodes, et que les scientifiques sont prudents par rapport aux résultats de leurs investigations et aux modèles proposés. F. Les perspectives Celles-ci s'inscrivent dans plusieurs registres : - Sur le plan technique le plus immédiat, et dans le but de rendre aisément accessible la démarche proposée, la réécriture d'une partie des instruments est envisagée pour les rendre plus simples et pour les centrer sur des fonctionnalités bien ciblées, avec un environnement attrayant et une bonne convivialité. L'ensemble des logiciels pourrait fonctionner sur un réseau local, ce qui permettra de partager les données initiales, facilitera la gestion des fichiers produits par les élèves, offrira plus de souplesse au niveau de l'impression.. - Nous avons construit notre approche en étudiant deux sites géographiques : la région égéenne et la région du Japon. A moyen terme, il est souhaitable que les enseignants aient le choix de différents sites de subduction qui illustrent leur variété et qui mettent à l'épreuve la démarche et les outils informatiques utilisés. D'autres travaux sont à envisager : région des Mariannes, des Andes, des petites Antilles, etc. D'autres données sont également à rechercher et à intégrer, telles que les données géochimiques du volcanisme associé aux subductions, par exemple. La coopération avec des organismes tels que le BGI pour franchir cette nouvelle étape pourrait être déterminante. - Ce travail n'a abordé que les frontières de convergences avec subduction. L'approche des ouvertures océaniques, intégrant, en plus, des données magnétiques et de nouveaux outils de traitement et de modélisation, constitue un prolongement logique, qui complétera les instruments utilisables en géodynamique interne. - La prise en main de cette démarche nécessite la maîtrise des méthodes actuelles en géophysique et de l'utilisation des outils informatiques, ce qui n'entre pas forcément dans la formation initiale de tous les enseignants. Il est difficile d'actualiser d'un coup les connaissances dans tous les domaines de la biologie-géologie. Aussi faut-il envisager une multiplicité d'actions dans ce sens. Certains universitaires, par exemple, sont intéressés par la mise en place d'approches similaires pour les travaux pratiques de DEUG ou de licence. L'appropriation des instruments et l'adaptation de l'approche par les enseignants en exercice appellent à l'évidence la conception de modules de formation continue. Celle-ci ne peut pas être réalisée seulement par les enseignants praticiens du secondaire (même s'ils sont expérimentés), mais doit être dispensée par des enseignants-chercheurs géologues, pour garder un niveau et une actualité suffisants. BIBLIOGRAPHIE - P r é s e n t a t i o n s et p u b l i c a t i o n s spécifiques : - BAYER R., SARRAILH M., CULOS R., DUPOUY S., GROS C. : Essais de modélisation par le traitement de données géophysiques d'un aspect de la tectonique des plaques : la subduction. L'informatique scientifique dans l'enseignement de la biologie et de la géologie au lycée. J.C. D U V A L et N. SALAME (Eds). - INRP, 1991, p. 77-84. - CULOS R., D U P O U Y S., GROS C. : Essais de transfert dans l'enseignement des lycées d'outils et de méthodes mis en pratique dans la recherche. Macro et micro regards sur la terre. 14° réunions des sciences de la terre. 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BABOT et ROUGIEUX : Bureau de Recherches Géologiques et Minières, Nancy - Mme GRANDBASTIEN et M. CHARPILLE : Centre de Formation à l'Informatique et à ses applications pédagogiques (C.F.I.A.P.), Nancy - M. SCHMITT : Centre InterRégional d'Informatique de Lorraine (C.I.R.I.L.), Nancy - M. BUFFET : Compagnie des Salins du Midi et des salines de l'Est, Varangéville - MM. PICARD et THÉPOT : Établissement Public pour l'Aménagement de la Loire et de ses Affluents (É.P.A.L.A.) - Orléans - MM. CAUSERO, BAUER et CHAPOT : Laboratoire Régional de l'Équipement de Nancy Dans le cadre de sa politique de Mécénat Technologique et Scientifique, Electricité de France a mis à la disposition de l'Institut National de Recherche Pédagogique, ses compétences en matière d'auscultation d'ouvrages afin de réaliser des logiciels d'écoulement souterrain. C O M P R E N D R E E T P R E V O I R LA D Y N A M I Q U E DES NAPPES D'EAU 75 J. Baly, P. Berche, J.-Y. Boulanger, B. Gérardin C. H a g u e n a u e r , BL Janin, S. Klein I. APPLICATIONS DE L'INFORMATIQUE EN GEOLOGIE APPLIQUEE ET PLUS PRECISEMENT EN HYDROGEOLOGIE A. La géologie appliquée, science prospective B. L'hydrogéologie, science des modèles C. Place de la géologie appliquée, particulièrement de l'hydrogéologie, dans l'enseignement secondaire IL ADAPTATION D'OUTILS PROFESSIONNELS ET CONSTRUCTION D'UN NOUVEL OUTIL POUR L'ENSEIGNEMENT A. Accessibilité des outils professionnels, traditionnels et informatiques B. Adaptation d'HYDROMOD, logiciel à caractère professionnel 1. Définition du modèle 2. Adaptation pédagogique d'HYDROMOD conduisant au logiciel HYDROS. 3. Le menu et les principales fonctions d'HYDROS. C. Création d'ÉCO L'ÈAU, un outil spécialisé adapté au milieu scolaire 1. Définition du modèle 2. Structuration pédagogique d'ÉCO L'EAU III. APPLICATION PÉDAGOGIQUE DES OUTILS ADAPTÉS A.Utilisation du logiciel HYDROS pour comprendre et représenter dans l'espace la dynamique d'une nappe 1. Activités des élèves 2. Évaluation des résultats de l'expérimentation d'HYDROS en classe B. Utilisation du logiciel ECO L'EAU pour comprendre et représenter la dynamique temporelle d'une nappe d'eau 1. Activités des élèves 2. Évaluation des résultats de l'expérimentation d'ÉCO L'EAU en classe C. Perspectives offertes par les logiciels ECO L'EAU et HYDROS 75 75 78 81 84 84 85 85 87 90 93 93 97 105 105 105 113 120 120 130 138 COMPRENDRE ET PRÉVOIR L A D Y N A M I Q U E DES N A P P E S D ' E A U La géologie appliquée intègre aujourd'hui un nombre croissant de connaissances à base d'informations numériques que les moyens informatiques permettent de saisir, de stocker et de traiter rapidement dans une perspective prédictive d'exploitation des ressources corrélée à la prévention des risques. L'hydrogéologie constitue un domaine où l'efficience de l'ordinateur s'est manifestée avec une précocité suffisante pour permettre d'opérer une transposition effective sinon immédiate pour l'enseignement des concepts et des méthodes actuellement en vigueur dans ce domaine de la géologie appliquée. I. APPLICATIONS DE L'INFORMATIQUE EN GÉOLOGIE APPLIQUÉE ET PLUS PRÉCISÉMENT EN HYDROGÉOLOGIE La géologie appliquée exploite des données nombreuses, significatives de la variation spatio-temporelle des phénomènes. Les données recueillies et les informations déduites participent au caractère prospectif de cette science qui joue un rôle décisif dans des domaines où les enjeux économiques et humains s'avèrent considérables. A. L a géologie appliquée, science prospective 1. En vue de répondre à des questions d'économie et de sécurité, la surveillance lithologique et structurale des sites utilise l'ordinateur pour exploiter les données immédiates reçues par des capteurs. Trois pistes se dessinent dans ce domaine. a. Le Laboratoire Régional de l'Équipement de Nancy-Tomblaine pratique l'étude de la subsurface par sismique-réfraction. Un logiciel créé pour cette technique exploite les données de terrain relatives aux vibrations reçues par des géophones. L'ordinateur calcule la vitesse des ondes produites par un ébranlement provoqué, ce qui permet de déduire les caractéristiques structurales du substratum. Le traitement des données aboutit à une coupe géologique en termes de résistance mécanique. Le professionnel accède ainsi indirectement, sans forages coûteux, aux propriétés mécaniques des formations géologiques jusqu'à 50 mètres de profondeur. Cette approche permet de prévoir le mode d'extraction des matériaux du sous-sol. C'est un outil d'aide à la décision. b. La Compagnie des Salins du Midi et des Salines de l'Est à Varangéville opère grâce à l'ordinateur un suivi préventif de la progression des cavités de dissolution dues à l'exploitation du sel. Un logiciel, propriété de la Société P R A K L A - S E I S M O S , construit l'échogramme des cavités de dissolution à partir des données échométriques acquises par une sonde d'écho. Il exploite et affine à la fois la connaissance des caractéristiques lithologiques et structurale du gisement sédimentaire. La représentation graphique de la forme et des dimensions des cavités de dissolution vise à optimiser l'exploitation du sel tout en évitant les effondrements non prévus. c. Le Service d'Auscultation de la Division Technique Générale Grenoble pratique la surveillance des grand ouvrages. E.D.F. à Un logiciel important réalisé par Monsieur MAZENOT, Ingénieur responsable du service, mobilise les télémesures fournies par les capteurs de mouvement implantés dans les ouvrages. Le traitement graphique des données permet de visualiser les déplacements dans le temps. Pour dégager l'incidence relative des différents facteurs, parmi lesquels ceux d'origine géologique, les valeurs sont corrigées des mouvements d'origine climatique. L'auscultation continue des barrages permet de déceler très tôt une anomalie dans leur fonctionnement. Mais le stockage et le traitement statistique des données nombreuses relatives aux différents facteurs de variations implique un matériel très puissant. Ces logiciels professionnels tournent sur des matériels sans rapport avec les moyens du milieu scolaire, ce qui empêche le transfert immédiat dans les classes au moyen de l'informatique des concepts sous-jacents à leur emploi dans la surveillance lithologique et structurale des sites. 2. Dans la perspective d'une rationalisation de l'urbanisation, un relevé de sondages géotechniques, constituant une banque de données a fait l'objet d'un traitement graphique par ordinateur. Le CIRIL (Centre InterRégional d'Informatique de Lorraine) utilise le progiciel C A D D S (COMPUTERVISION) pour traiter les données des sondages réalisés sur le district urbain de Nancy (D.U.N.). Parmi un ensemble d'applications très ouvert, la cartographie à deux ou trois dimensions rend exploitables les données topographiques et géologiques. L'activation de la base de données permet de disposer, sur le quadrillage Lambert, des sondages du secteur choisi. A la demande, un fond topographique apparaît (courbes de niveau, pentes d'isovaleur, etc.) de même que la planimétrie (espaces verts, etc.). L'accès à l'ensemble des sondages présentant certaines caractéristiques est permis. Leur log géologique peut être appelé. Des graphiques sont possibles pour traduire les résultats des essais géotechniques stockés dans la base de données (pénétrométrie, etc.). A condition d'utiliser un logiciel moins lourd, tel M I C R O C A D D S qui fonctionne sur matériel scolaire, ce travail pourrait donner lieu à des applications utilisables dans l'enseignement secondaire, dans les classes préparatoires aux grandes écoles et pour l'enseignement des classes de techniciens supérieurs en géologie. A partir de la banque de données, des corrélations hydrologiques, lithologiques, géochronologiques entre sondages pourraient être établies pour représenter une nappe d'eau ou pour reconstituer des variations de lithofaciès dans l'espace et dans le temps. Compte tenu de la faible profondeur de la plupart des forages du district urbain de Nancy, la banque de données, par ailleurs difficilement disponible, limite les possibilités d'application du progiciel pourtant riche de promesses d'interactivité pour l'enseignement de la géologie. Mais de riches données existent sur les faciès salifères du Keuper, qui permettraient de construire les corrélations à distance entre forages. Un travail de recherche pourrait justifier la saisie sur ordinateur des informations exploitées jusqu'ici manuellement pour reconstituer la dynamique des milieux à évaporites du Keuper de l'Est de la France. Ainsi exploité, M I C R O C A D D S rendrait les services d'un logiciel professionnel du B.R.G.M. : A C T I F (Acquisition et Traitement des Informations de Forages), non transposable tel quel dans l'enseignement compte tenu de sa taille et de son niveau technico-scientifique élevé. 3. La prévision des risques fait appel à l'ordinateur pour estimer les coefficients de sécurité. La prise en compte, dans le calcul, des données topographiques et piézométriques de terrain, corrélées à la cohésion et à la masse volumique des matériaux, offre une ouverture intéressante pour l'enseignement. a. Le Laboratoire Régional de l'Équipement de Nancy-Tomblaine réalise de telles expertises. Le logiciel PETAL a pour objectif de déterminer le coefficient de sécurité lorsque des indices laissent entrevoir un risque de glissement de terrain ou, si ce dernier a eu lieu, d'apprécier son degré d'évolution pour savoir s'il est stoppé. Logiciel de simulation, P E T A L assure la visualisation dans l'espace et la prévision dans le temps du profil du terrain, effet de l'action conjuguée des principaux facteurs de stabilité. En cas de pronostic défavorable, il permet de prévoir l'incidence de travaux et de choisir l'intervention qui suffirait pour stabiliser les pentes. En permettant de poser un diagnostic raisonné, il constitue un outil d'aide à la décision. b. Dans la mesure où des travaux de drainage suffisent pour accroître le coefficient de sécurité, le problème posé à l'expert porte en grande partie sur une connaissance hydrogéologique. Ce thème est une spécialité de M. Mazenot à la Direction Technique Générale d'E.D.F. chargée, à Grenoble, de la surveillance hydrogéologique des grands ouvrages. B. L ' h y d r o g é o l o g i e , science d e s m o d è l e s 1. La représentation des phénomènes hydrogéologiques par des modèles aide à maîtriser les échelles de l'espace et du temps. L'exploitation et la surveillance hydrogéologique des sites donne lieu à une grande quantité de valeurs qui font l'objet de modélisations visant à simuler l'évolution des nappes d'eau. La place importante faite aux modèles dans les logiciels d'hydrogéologie reflète tout à la fois la nécessité et l'impossibilité matérielle de mener une étude en vraie grandeur. La complexité du réseau d'interactions hydrosphériques, atmosphériques, lithosphériques et biosphériques rend inaccessible l'expérimentation et difficiles les simplifications. Dans une approche systémique, l'observateur hydrogéologue analyse les paramètres pour tenter d'établir les relations entre eux dans un modèle explicatif nécessairement remodelable. Dans le domaine de la science appliquée où la réalisation finale ne souffre aucune erreur d'appréciation, le caractère prévisionnel s'impose aux plans qualitatif comme quantitatif. D'abord physiques -hydrauliques et électriques- les modèles hydrogéologiques deviennent mathématiques et fonctionnent sur ordinateur : ces modèles numériques informatiques deviennent de plus en plus abstraits, ce qui impose de les valider à l'aide des précédents avant le verdict du passage à l'action. La modélisation des phénomènes doit s'ajuster au réel de conditions définies, vécues ; après ce contrôle, elle peut enfin assurer la simulation d'une possible évolution dans des conditions nouvelles, déterminées par la variation des facteurs pris en compte dans le modèle. En milieu professionnel, la formalisation du réel ne constitue pas une simple spéculation intellectuelle, la modélisation des relations entre grandeurs n'est pas l'œuvre d'un simple utilisateur. Le concepteur crée des modèles probables que le praticien exploite. Moyen d'exploration et d'anticipation utilisé pour les simulations, le modèle doit permettre de prévoir l'évolution hydrogéologique d'un site. Produits conceptuels, les modèles sont substitués au réel pour le représenter, non pour le remplacer. Si le modèle hypothétique n'est pas confirmé par les nouvelles confrontations avec le réel, il perd sa fonction opératoire et sera adapté, ou reconstruit. 2. Les modèles hydrogéologiques informatiques examinés proviennent du domaine universitaire à vocation préprofessionnelle et du milieu industriel. a. Plusieurs modèles mathématiques à caractère professionnel concernant le rabattement d'une nappe autour d'un puits et la circulation de l'eau dans un domaine sous barrage ont été produits par les Enseignants de l'LU.T. de Génie Civil de l'Université de N A N C Y I. Réécrits à la faveur d'un stage de formateurs en informatique [J.P. Fischer, C. Haguenauer, 1985] pour les rendre interactifs et accélérer les calculs, ces produits sont restés accessibles sur un seul matériel. Ils n'ont donné lieu qu'à d'exceptionnelles utilisations en classe mais ils ont orienté les recherches scientifiques et pédagogiques. b. L'Agence de Bassin Rhin Meuse dispose d'une banque de données climatiques et piézométriques. En mesure de calculer l'évapotranspiration, le logiciel de traite- ment statistique utilisé estime les réserves d'eau souterraine d'un lieu à un moment donné. Outil d'aide à la décision, il permet de choisir le site d'installation d'un pompage et le débit optimal à lui appliquer ; mais la faible ancienneté des mesures piézométriques limite la précision des simulations. c. Pour la surveillance hydrogéologique de ses ouvrages, E . D . F . dispose de toutes les données de la Météorologie Nationale qui viennent éclairer les nombreuses mesures de pression interstitielle et de débit. Ensemble, elles constituent une immense banque de données regroupant des décennies d'observations pour les ouvrages les plus anciens. Pilotées par un logiciel professionnel, elles participent à une modélisation de la dynamique de l'eau qui permet de contrôler le bon fonctionnement des nappes sous les ouvrages, donc de prévenir les risque. d. La Société S O B E A de PONT-A-MOUSSON exploite des puits situés dans la boucle alluviale de l'Obrion et de la Moselle, sur le site de Loisy : un secteur urbanisé en pleine évolution. Des précautions s'imposent pour limiter les risques de pollution de l'eau. Les nombreuses mesures piézométriques réalisées à proximité des captages par l'équipe de M. Demassieux, Professeur au laboratoire de géomécanique de l'École Nationale Supérieure de Géologie, ont permis la production d'un modèle hydrogéologique informatique, le logiciel H Y D R O M O D qui vise à comprendre et à prévoir la dynamique spatio-temporelle de la nappe alluviale. e. Des documents réalisés pour le compte de la Direction Départementale de l'Équipement de la Haute Loire et de l'Établissement Public Régional de la Loire et de ses Affluents, font apparaître le caractère préventif des simulations dans le domaine des changements hydrauliques liés à l'implantation des grands ouvrages. Réalisés par l'ÉPALA (Établissement Public pour l'Aménagement de la Loire et de ses Affluents) à Orléans et par la R É A L (Région d'Équipement des Alpes/Lyon) à Chambéry, ils présentent des images numérisées qu'ils modifient en exploitant les relevés hydrologiques, hydrogéologiques et géologiques rassemblés sur le bassin versant de la Loire. La base de données mobilisée pour les modélisations sert pour simuler l'impact du barrage et de la retenue projetés à Serre de la Fare : impact sur l'environnement, sur la gestion de l'eau dans la prévention des crues et sur la sécurité. Destinés à informer le grand public de façon objective, ces documents permettent de sensibiliser les élèves. Riche d'informations, ils illustrent l'importance du traitement informatique des données, passées et actuelles, pour prévoir l'évolution d'un site soumis à l'influence de l'homme. Mais, si leur création a déterminé, comme dans l'enseignement, la fragmentation d'un problème de géologie appliquée d'approche multifactorielle, la solution apparaît toute faite dans le produit fini : disponible en vidéocassette, il ne permet pas de construire une réelle analyse de l'incidence relative des différents facteurs, actuels ou passés, dans l'évolution hydro-géologique du site. 3. Le soutien apporté par MM. Demassieux et Mazenot oriente vers l'étude des logiciels de modélisation du fonctionnement des nappes d'eau utilisés à l'E.N.S.G. et à E.D.F. L'exploitation de ces logiciels permet de simuler, dans des conditions nouvelles, le comportement des nappes d'eau de sites bien déterminés et assure une prévision hydrogéologique précise. Elle mobilise les mêmes notions que les outils professionnels généraux, de haute technicité scientifique mais de très grande taille et fort coûteux, diffusés par le B.R.G.M. : B A D G E (Bases de Données pour la Gestion des Eaux) et G A R D E N I A (modèle Global A Réservoirs pour la simulation des DÉbits et des Niveaux Aquifères). Les dimensions des logiciels professionnels rendant impossible leur transfert direct dans l'enseignement, Monsieur MAZENOT a écrit ECO L'EAU, un modèle construit de toutes pièces pour être utilisable sur matériel scolaire. Pendant ce temps, Monsieur D E M A S S I E U X adaptait H Y D R O M O D pour le rendre accessible sur compatible P.C. Ce modèle hydrogéologique convenait initialement pour une nappe alluviale ; Messieurs M A Z E N O T et D E M A S S I E U X ont fourni les éléments mathématiques permettant de l'utiliser pour simuler la dynamique de l'eau d'une nappe sous un barrage ; il s'est ainsi trouvé généralisé aux deux types de nappes, libres et captives, avant d'être adapté pour une utilisation dans les classes. Trois problèmes interdisciplinaires, avec une composante géologique, motivent l'essentiel de cette étude : la connaissance des nappes d'eau, tant sous l'aspect de la quantité, donc en termes de gestion, que de la qualité, déterminée ici par la pollution, ainsi qu'au plan de la sécurité liée aux risques de glissement des terrains entraînés par l'eau. Le fil conducteur de la recherche apparaît : la circulation de l'eau des nappes pour lesquelles on dispose de données réelles susceptibles de permettre un aller et retour de l'observation à la simulation en passant par la modélisation. C. Place de la géologie appliquée, particulièrement de l'hydrogéologie, dans l'enseignement secondaire 1. La géologie appliquée présente une composante prévisionnelle. Elle doit répondre aux interrogations en termes de prévention et de sécurité. Elle anticipe dans la durée l'incidence des facteurs de l'environnement sur l'évolution des grands ouvrages ou sur la dynamique des nappes phréatiques. C'est un domaine de la géologie où les conséquences économiques et humaines des diagnostics sont considérables et où l'utilisation de l'informatique permet une modélisation scientifiquement construite, aux enjeux importants. Dans l'approche scolaire de la géologie, l'application vaut pour le seul professeur ; elle n'est pas effective pour l'élève qui construit, à partir d'exemples particuliers, ses premières étapes d'induction vers quelques problèmes liés aux ressources géologiques locales. Les développements centrés sur l'aspect historique élargissent la vision de l'espace et du temps en favorisant l'hypothético-déduction. La géologie appliquée met l'élève en situation d'exploiter son nouveau savoir dans une démarche déductive appliquée à la gestion des nappes d'eau ou à la détection et à la prévention de risques naturels tels que les glissements de terrain. Mais une enquête auprès des professeurs qui suivent à Nancy les stages de formation continue en géologie appliquée montre qu'ils trouvent rarement le temps de conduire cette réflexion géologique finale au collège. C'est au lycée que les problèmes de géologie appliquée prennent de l'importance. A l'enseignement de la géologie historique tourné vers la tectonique globale s'ajoute l'indispensable ouverture à la responsabilité scientifique de l'homme en géologie. Cette responsabilité s'exerce dans la mise en valeur des milieux naturels, par exemple par la réalisation d'un grand ouvrage de génie civil, et dans l'évolution des grands équilibres de la biosphère, par exemple dans une étude prospective des risques de pollution ou dans la protection des sites. L'exemple des barrages permet d'atteindre ce double objectif de construction raisonnée et de protection des sites. Il impose une approche interdisciplinaire. La nécessaire prise en compte de l'apport de spécialistes variés dans l'évaluation chiffrée des risques réclame l'aide de l'ordinateur pour simuler l'impact de l'ouvrage et pour dégager l'incidence des principaux facteurs de risque dans un domaine où il est difficile de faire apparaître de façon directe et précise le rôle spécifique de la géologie. Parmi les acquis conceptuels dominants d'une approche scolaire de ces problèmes par les logiciels professionnels figure la compréhension des modèles de sciences appliquées. Construits ou adaptés pour la circonstance, ils permettent et appellent un retour permanent aux données du réel donc une confrontation des résultats prévus par le modèle aux mesures effectives, c'est à dire une démarche commune aux sciences expérimentales. 2. Les problèmes d'hydrogéologie appliquée liés à la dynamique des nappes d'eau s'expriment en termes de qualité, de quantité et de sécurité. Compte tenu de la multiplicité des facteurs et de la complexité de leurs interactions, le professionnel qui utilise les logiciels est aidé par l'hydrogéologue concepteur des modèles. Au collège et surtout au lycée, la notion de ressources en eau, considérée à partir d'exemples régionaux, porte sur leur origine et sur les problèmes posés par leur exploitation et par leur protection : questions d'actualité dont la réponse passe par les concepts de capacité d'alimentation, de conditions de circulation des eaux souterraines, de propriétés liées aux caractères lithologiques et structuraux des roches, de facteurs d'évolution des nappes, de renouvellement et de gestion des ressources. La nécessité de les traiter de façon dynamique, à la fois qualitative et quantitative, rend pratiquement indispensables les simulations donc l'utilisation de l'ordinateur pour mobiliser les nombreuses données dans des modèles dynamiques de nappes. Comme le professionnel, l'élève mis en situation de recherche pour répondre à un problème de pollution de nappe, d'épuisement de celle-ci ou de risque lié à l'implantation d'un ouvrage, peut comparer ses propres diagnostics à ceux que lui fournissent les logiciels. 3. L'importance opératoire de la modélisation apparaît comme l'objectif conceptuel dominant de cette approche par les logiciels professionnels. Utiliser ces modèles pour la formation dans les classes, c'est décider de refuser celles des expérimentations qui faussent les échelles, c'est donner aux élèves les moyens d'employer les logiciels comme les utilisateurs, voire de construire, sinon de créer de toute pièce des modèles fonctionnels. Dans un va-et-vient du concret à l'abstrait avec retour au concret, les logiciels professionnels offrent une source de mobilisation complète des différentes démarches scientifiques : l'analyse conduisant au modèle fait intervenir l'induction créatrice du modèle à caractère prévisionnel et la déduction dans son application par la simulation à caractère décisionnel. Offrir aux élèves la possibilité d'utiliser ces outils, c'est vouloir les entraîner à la méthode déductive que la géologie appliquée favorise largement. De la plausibilité du modèle employé dans une situation nouvelle naît le renforcement, de l'absence de cohérence avec les faits naît le rejet. En répondant à des problèmes concrets tels que définir une zone de vulnérabilité, tracer une route en prévenant les risques, prévoir un débit de pompage sans épuiser la nappe, diminuer les pressions sous-barrage pour accroître le coefficient de sécurité de l'ouvrage, l'élève est conduit vers une explication scientifique des phénomènes. Au travers de problèmes réels se dégagent ainsi les concepts scientifiques qui constituent des objectifs cognitifs dominants de notre enseignement : - l'idée que les ressources en eau, en termes de qualité et de quantité, sont soumises à des influences multifactorielles : précipitations, température, etc. - la notion de nappe d'eau souterraine associée au concept d'écoulement dans un aquifère : il importe de bousculer l'image tenace, solidement ancrée dans les croyances depuis l'Antiquité, de l'eau souterraine, circulante ou piégée dans des cavités indépendamment de tout aquifère ; cette conception ne peut évoluer qu'avec la démonstration de la circulation de l'eau des nappes pour substituer à une certitude infondée l'idée de leur dynamique dans leur aquifère, - le concept de fonctionnement des nappes exprimé en termes prévisionnels de réserves et de vulnérabilité, - l'idée qu'il faut connaître les conditions de la circulation de l'eau des nappes pour résoudre les problèmes posés par leur exploitation et par leur protection. II. ADAPTATION D'OUTILS PROFESSIONNELS ET CONSTRUCTION D'UN NOUVEL OUTIL POUR L'ENSEIGNEMENT A. Accessibilité des outils professionnels, traditionnels et informatiques Les outils informatiques prolongent les études traditionnelles en assurant une quantification plus précise des phénomènes. Ils permettent de cerner de façon plus rigoureuse la frange de compatibilité entre l'exploitation des ressources et la réduction maximale des risques. 1. Les documents traditionnels du géologue ne sont pas remplacés par le matériel informatique. Les photographies aériennes, les cartes, les échantillons lithologiques des sites étudiés dans les logiciels gardent la priorité dans le temps de la recherche appliquée. Ils doivent rester les premiers dans les apprentissages. Devenus préalables au travail sur ordinateur qui les complète, ils continuent d'assurer la formulation des problèmes que les logiciels clarifient dans la recherche d'une solution. Transférées sur P.C., une partie des mesures météorologiques, piézométriques et lithologiques constituent les données qui assurent le fonctionnement des modèles. 2. Les modèles professionnels informatiques permettent à l'utilisateur de simuler différentes conditions pour apprécier l'incidence de la variation des facteurs de l'environnement sur une nappe d'eau. Il apparaît tentant d'opérer le transfert à l'enseignement de ce type de méthode, proche d'une démarche expérimentale. Mais les logiciels professionnels consistent dans des programmes de calculs longs et puissants, au départ inaccessibles à la classe. Ils ne deviennent transposables qu'à la condition de les refaire pour travailler sur compatible P.C. tout en veillant à ce que l'adaptation de leur vocabulaire et de leur scénario rende possible leur utilisation. La visualisation des phénomènes ne paraît pas indispensable au professionnel si les valeurs affichées à l'écran s'ancrent dans son vécu personnel. Elle constitue un élément de la transformation du logiciel quand les nombres restent sans signification pour son utilisateur. Une fois adapté ou (re)construit à des fins didactiques, le produit doit ensuite être réajusté progressivement en fonction des réactions des premiers utilisateurs : successivement, les professeurs du groupe de recherche, les professeurs et les élèves des lycées participant à l'expérimentation et enfin les professeurs qui ont choisi d'approfondir leurs connaissances en géologie appliquée dans le cadre des stages de formation continue. Peu à peu, au fur et à mesure de l'avancement de la recherche, les transformations évoluent dans le sens d'une interactivité croissante et d'une définition de plus en plus précise des concepts, en relation avec les objectifs de l'enseignement de la géologie dans l'enseignement secondaire. B. Adaptation d'HYDROMOD, logiciel à caractère professionnel 1. Définition du modèle a. H Y D R O M O D constitue un outil de formation des ingénieurs à l'École Nationale Supérieure de Géologie. La complexité du système d'équations du modèle le rend inaccessible à un non spécialiste : à partir de données géologiques et hydrogéologiques relevées localement sur le site, l'ordinateur calcule le potentiel hydraulique ou niveau piézométrique de tous les points de la nappe situés aux nœuds d'une grille définie à l'avance et superposée à la carte d'un réservoir souterrain. Une reconnaissance préalable permet au géologue hydrogéologue de définir : - les frontières naturelles du système, - la répartition spatiale des caractéristiques de la perméabilité, - la répartition des débits d'apport et de soutirage sur le domaine ou à ses frontières (puits, infiltration, ruissellement), - la répartition des limites à potentiel hydraulique déterminé (plans d'eau). Les différences de potentiel hydraulique causent les mouvements de l'eau. Comme on ne peut déterminer l'écoulement dans un volume complexe, on utilise un modèle de calcul par éléments finis : la surface piézométrique de la nappe est découpée en mailles assez petites pour que Ton puisse considérer que le potentiel hydraulique y varie de façon linéaire dans les différentes directions. Partant ainsi de l'hypothèse d'un écoulement laminaire de l'eau, la solution recherchée doit satisfaire, en régime permanent c'est à dire dans la nappe en équilibre, à une loi de conservation qui s'exprime par l'égalité entre la somme des entrées et la somme des sorties pour chacune des mailles du domaine : la quantité qui entre par le (s) coté (s) entrant (s) égale celle qui ressort par le (s) cotés sortant (s). Un algorithme de type itératif assure la précision des calculs. L'efficacité du modèle dépend de la finesse du maillage, fruit de l'expérience du modéliseur qui prévoit les plus petites mailles dans les zones où les variations du potentiel sont les plus grandes, par exemple dans une zone de pompage. Les limites de validité du modèle sont fixées avant tout par la qualité de la reconnaissance préalable qui fournit les données peu nombreuses utilisées par le modèle. Plus valables que les mesures de laboratoire sur échantillon forcément remanié, les mesures de perméabilité ont lieu sur le terrain, entre les forages d'une station d'essai. La détermination des débits reste du domaine du savoir de l'expert. Les niveaux piézométriques ou potentiels hydrauliques aux limites du modèle s'obtiennent par des mesures dans les piézomètres et dans les cours d'eau. L'enveloppe des hauteurs piézométriques ou surface piézométrique de la nappe, représente la nappe. Elle est dessinée sur un plan en courbes d'égal niveau piézométrique ou courbes isopièzes. L'ordinateur trace, maille après maille, les lignes équipotentielles ou lignes isopièzes de la surface supérieure de la nappe. Cellesci renseignent sur la dynamique de la nappe dans le domaine étudié. b. H Y D R O S réutilise le modèle par éléments finis d'HYDROMOD pour déduire des isopièzes les lignes d'écoulement ou lignes de courant. Dans un milieu isotrope, l'eau coule perpendiculairement aux équipotentielles. A partir de la direction des équipotentielles, l'ordinateur calcule et trace, maille après maille, les lignes de courant. H Y D R O S étend aux barrages-poids le modèle de calcul et de représentation de l'écoulement de l'eau en traçant les lignes équipotentielles et les lignes courant dans un plan vertical du domaine sous barrage. Il permet de simuler l'influence de travaux confortatifs dans une fondation : un maillage fin de la zone d'intervention conduit à évaluer l'influence des changements de conditions hydrodynamiques qu'entraîneraient l'injection d'un voile d'étanchéité, de perméabilité inférieure à celle de la fondation, et/ou la réalisation d'un voile de drainage imposant localement un potentiel hydraulique très faible. H Y D R O S évalue en outre les conséquences de la piézométrie sur la stabilité de l'ouvrage en déterminant le coefficient de sécurité du barrage au renversement sur le pied aval. Les calculs portent sur une tranche de barrage unitaire suivant le plan amont-aval. Le logiciel tient compte des trois forces principales qui agissent sur cette tranche d'ouvrage : son poids, la poussée de l'eau sur le parement amont, les forces de pression, dites de sous-pression qui s'exercent sur la fondation du barrage. - V étant le volume de l'ouvrage de hauteur H et de base B x 1 et Mv la masse volumique du béton, le poids s'obtient par V x Mv soit ((H x B) / 2) x Mv. - Pour un barrage dont la section est un triangle rectangle, le moment Mp du poids s'obtient par ( H x B) / 2) x Mv x (2 B / 3) soit (H x B 2 x Mv) / 3. - La poussée de l'eau sur le parement amont s'obtient par (H / 2) x H x 1 et le moment de cette force par rapport au pied aval par ( H 2 / 2) x H / 3 soit H3/6. La poussée des sous-pressions à la base de l'ouvrage varie avec le potentiel hydraulique. Conséquence de la pression d'eau qui s'exerce sous le barrage, elle se déduit du potentiel hydraulique calculé par H Y D R O M O D . On l'obtient en faisant la somme des poussées élémentaires qui s'exercent sur chaque maille.On calcule le moment total des sous-pressions, en faisant la somme des moments de ces poussées élémentaires par rapport au pied aval. - Le moment du poids est stabilisateur, les autres déstabilisateurs. Le coefficient de sécurité au renversement autour du pied aval est obtenu par le rapport des moments stabilisateurs aux moments déstabilisateurs. La stabilité est théoriquement assurée dès que le coefficient est supérieur à 1. Dans la pratique, on exige un coefficient de sécurité plus grand. Ainsi, les calculs puissants opérés par H Y D R O M O D sur des paramètres physiques permettent les opérations simples d'HYDROS. La méthode d'approche des faits par le modèle professionnel, appuyé sur les lois fondamentales de la physique, en fait un modèle déterministe. 2. Adaptation pédagogique d'HYDROMOD conduisant au logiciel H Y D R O S . Les premières modifications ont eu pour but d'améliorer la qualité de l'affichage et l'ergonomie du produit. Des pages d'aide facilitent le cheminement dans l'utilisation du logiciel et l'emploi du clavier. Le logiciel s'enrichit d'un vocabulaire scientifique adapté. Enfin, l'impression d'écran est possible. L'hydrogéologue déduit généralement mentalement les lignes de courant de la carte des isopièzes. La transformation pédagogique du logiciel a permis d'introduire le tracé des lignes de courant que l'élève choisit de dessiner lui-même à l'écran ou de faire afficher par l'ordinateur (fig. 1). MODELE : LOIS9210 FICHIER : YETESP31 POT. MIN 178.SO POT. MAX 180.20 EQUIDISTANCE 0.057 I Tracé <A>utonatique p a s à pa<S> 180.20 nan<U>el <E>dition <F1> <F>in <C> <U> <?> <ESC> Fig. 1.- Simulation des isopièzes de la nappe de Loisy en été, et construction des lignes de courant facilitée par l'aide technique correspondante. Plus lisibles que les lignes isopièzes, les lignes de courant constituent un outil pédagogique au service de l'élève pour indiquer le cheminement de l'eau ou d'un polluant. Outre l'affichage des équipotentielles et des lignes de courant par l'ordinateur, l'utilisateur a la possibilité de tracer lui-même des lignes quelconques à l'écran. Suivant le problème posé, elles peuvent correspondre au tracé d'un périmètre de protection autour d'un puits, ou bien simuler le passage d'une route afin de déterminer l'incidence, en matière de pollution, du déversement d'un produit toxique sur son parcours ou encore représenter des lignes de courant d'une nappe alluviale ou d'un domaine sous barrage (fig. 2). MODELE : BARRAGE FICHIER : BARRAGE POT. O.OO Uous conseruaz cette ligne MIN O/N ^Fl> <Ç> <U> <?> <ESC> Fig. 2.- Simulation montrant la correction qu'apporteraient un voile d'injection très peu perméable et un voile de drainage à la circulation de l'eau dans l'aquifère situé sous un barrage-poids : en déportant les lignes de courant, les voiles limitent les forces de sous-pression qui risqueraient de déstabiliser l'ouvrage. Le vocabulaire précise les concepts. Quand la simulation porte sur l'aquifère seul, l'affichage du bloc diagramme de la nappe montre la forme de la surface piézométrique (fig. 5) ; quand elle concerne un barrage et l'aquifère sous-jacent, l'option sécurité du barrage permet d'appliquer à l'ouvrage en projet les forces qui s'exerceraient sur lui et d'en déduire le coefficient de sécurité au renversement aval du barrage (fig. 3). Les expérimentations dans les classes ont fait apparaître l'intérêt de pouvoir modifier les conditions hydrodynamiques afin de visualiser immédiatement l'effet de ces changements par de nouvelles simulations pour, éventuellement, créer de nouveaux fichiers de travail. L'introduction de nouvelles valeurs des paramètres est possible en appelant H Y D R O M O D directement, par le menu d'HYDROS. Un éditeur permet la saisie des nouvelles données. MODELE : BARRAGE FICHIER : BARRAGE Fig. 3.- Schéma des forces qui s'exercent sur un barrage-poids et coefficient de sécurité du barrage avec un voile d'étanchéité et un voile de drainage dont les caractéristiques sont rappelées dans l'aide technique. 3. Le menu et les principales fonctions d'HYDROS. MENU PRINCIPAL 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Fig. 4.Loisy en alentours potentiels CHANGER DE FICHIER DE TRAVAIL (fichier actuel : BAR1) AFFICHER LE MAILLAGE AFFICHER DES LIGNES ÉQUIPOTENTIELLES AFFICHER DES LIGNES ÉQUIPOTENTIELLES ET LE MAILLAGE TRACER DES LIGNES DE COURANT AFFICHER UN BLOC DIAGRAMME DE LA NAPPE ET DES COUPES ACCÉDER A HYDROMOD CHARGER LES UTILITAIRES QUITTER LE PROGRAMME Lignes équipotentielles tracées par l'ordinateur dans la nappe de été, en présence de deux puits. Les mailles sont plus petites aux des puits, zone dans lesquelles il est nécessaire de déterminer les hydrauliques avec plus de précision. Dans l'option 5, l'ordinateur propose le choix entre un tracé automatique des lignes de courant, un tracé pas à pas qui se poursuit progressivement, maille après maille ou un tracé manuel dont la signification dépend du choix de l'utilisateur. L'édition permet de supprimer une ou toutes les lignes, manuelles ou automatiques tracées à l'écran (fig. 1). L'option 6 donne une représentation de la surface piézométrique de la nappe en trois dimensions. Une flèche déplaçable permet d'obtenir des profils suivant les lignes du maillage (fig. 5). MODELE : M0SELLE1 FICHIER : ETEAP2 Fig. 5.- Blocs-diagrammes de la nappe de Loisy en été, en présence d'un puits de pompage. Le fichier ETE1P33 fait appel à un maillage plus fin que le fichier ETEAP2. Il exprime une détermination plus précise de la chute de potentiel hydraulique liée au rabattement de la nappe autour du puits. La Moselle constitue les limites occidentale et septentrionale du domaine étudié, de potentiel connu. La simulation de l'influence d'un petit barrage sur la Moselle montre, pour les deux fichiers correspondant à deux implantations différentes, une chute du potentiel à l'emplacement du barrage. Les niveaux piézométriques s'exprimant par une différence de hauteur d'eau, ils peuvent être repérés par rapport au niveau de la mer (fichier ETEAP2) ou par rapport à un niveau de base local (ici, la Moselle : fichier : ETE1P33). Si le menu porte sur un barrage, l'option 6 -option SÉCURITÉ D U B A R R A G E donne accès à une représentation graphique du polygone des forces ou des lignes de force ou encore des résultantes des forces qui s'exercent sur l'ouvrage (fig. 6). Poussée Poids Sous du 1* e a u 2450 Tonnes barrage 4125 Tonnes 658 Tonnes de pression COEFFICIENT DE SECURITE 1 . 67 Fig. 6.- Résultantes des forces qui s'exercent sur un barrage-poids : le poids, la poussée sur le parement amont et les forces de sous-pression à la base de l'ouvrage. L'option 7 donne accès à H Y D R O M O D si la capacité mémoire de l'ordinateur est suffisante. Après une simulation dans des conditions hydrodynamiques nouvelles, il faut sauvegarder le modèle actif afin de pouvoir l'afficher dans HYDROS. Outre l'entrée des conditions hydrodynamiques et la sauvegarde du modèle actif, le menu d'HYDROMOD permet de lancer une simulation pour calculer les nouveaux potentiels et pour visualiser les effets des conditions nouvelles. Un sous-menu permet d'indiquer le nombre d'itérations à effectuer et la précision souhaitée pour les calculs. Une option vérification de l'état du modèle assure l'affichage des valeurs hydrodynamiques calculées pour chacun des points du modèle. Il est aussi possible de faire afficher les lignes équipotentielles en consultant la piézométrie du modèle actif. Accessibles par l'option 8, les utilitaires, permettent, à l'aide de sous-menus, de créer ou de modifier les pages d'informations sur les différents fichiers de travail et de créer ou de modifier le dessin de barrages correspondant à des conditions hydrodynamiques nouvelles. UTILITAIRES CRÉER UN DESSIN SIMPLIFIÉ DU BARRAGE UTILISER LE DESSIN D'UN AUTRE BARRAGE MODIFIER LE DESSIN DU BARRAGE SAUVEGARDER LE DESSIN DU BARRAGE VOIR LE DESSIN D U BARRAGE CRÉER/MODIFIER LA PAGE D'INFORMATION ABANDONNER LES UTILITAIRES C. Création scolaire d ' É C O L'EAU, un outil spécialisé adapté au milieu Entièrement développé à des fins pédagogiques à partir d'études de nature professionnelles, le logiciel donne une représentation schématique des phénomènes qui participent au fonctionnement des nappes d'eau. 1. Définition du modèle ECO L'EAU modélise l'enchaînement des phénomènes, depuis l'arrivée des précipitations sur le sol jusqu'à la sortie de l'eau par les sources. a. Les éléments pris en compte par le modèle sont significatifs des principaux phénomènes : - le ruissellement de l'eau à la surface du sol et les écoulements dans la partie superficielle du terrain, - l'évaporation d'une partie de l'eau de surface ou de la partie superficielle du terrain, -l'accumulation dans l'aquifère de l'eau qui a traversé la partie superficielle du terrain, - la vidange, à la base de l'aquifère, de l'eau des nappes par l'effet drainant des sources. Un certain nombre de lois simples permettent de caractériser les phénomènes pris en compte dans le modèle : - la loi qui donne les retards avec lesquels l'eau tombée sur le sol entre dans l'aquifère en alimentant la nappe, - la loi qui déduit l'évapotranspiration potentielle de la température de l'air au jour considéré et aux jours précédents, - la loi d'action des sources qui exprime la proportionnalité du débit des sources à la hauteur d'eau de la nappe au dessus des sources, - les retards sont déterminés empiriquement par comparaison des précipitations et des variations concomitantes mesurées du niveau piézométrique. L'ajustement de la répartition des retard fait appel à la méthode statistique dite des moindres carrés. - l'évapotranspiration est calculée à partir de la température de l'air. Le débit des sources fait intervenir le coefficient de proportionnalité entre la baisse du niveau piézométrique par unité de temps et la hauteur de la nappe au dessus du niveau des sources. Ce coefficient est déterminé de façon empirique par la méthode des moindres carrés, en comparant les baisses du niveau piézométrique en fonction de la hauteur d'eau au dessus des sources en période estivale, c'est à dire lorsque les précipitations n'atteignent pas la nappe. La quantité d'eau que les premiers mètres du terrain peuvent retenir et qui est soumise à l'évapotranspiration est un autre paramètre pris en compte. On l'obtient en comparant les quantités d'eau des précipitations à celles qui entrent effectivement dans la nappe et qui sont évacuées par les sources. b. Le modèle créé fait appel à deux modes de représentation des phénomènes : - la représentation d'un modèle hydraulique traduit les lois d'écoulement par une animation à l'écran des mouvements de l'eau entre différents réservoirs reliés par des tuyaux selon une séquence construite : - sortie, par évapotranspiration, d'eau des réserves facilement utilisables du sol, - entrée, dans les réserves facilement utilisables, de l'eau qui provient des précipitations du jour considéré (précipitations instantanées) et des jours précédents (précipitations retardées), - écoulement vers la nappe d'une partie de l'eau des réserves facilement utilisables, si celles-ci sont saturées, - écoulement de l'eau de la nappe vers les sources. Cette représentation constitue une approximation provisoire favorable à la compréhension des phénomènes. - la représentation des résultats d'un modèle numérique, affichés sous forme graphique en fonction du temps, montre les variations journalières du niveau de remplissage des différents réservoirs. Ayant recours aux lois mathématiques simples qui régissent les écoulements entre les réservoirs, le modèle prend en compte le débordement des réserves facilement utilisables, cause des pluies efficaces aux- quelles il applique la loi des retards. c. L'algorithme du modèle numérique se résume par une succession de calculs : - calcul de l'évapotranspiration journalière, déduite des mesures de températures sur de très nombreuses années, - calcul des précipitations efficaces journalières : Soit RFU, exprimée en millimètres d'eau, la quantité d'eau maximale que le sol peut retenir et qui est susceptible de retourner à l'atmosphère. Si RUi est la quantité effectivement retenue au début du jour considéré, RUj, en fin de journée, après effet de l'évapotranspiration, est telle que RUj = RUi - ETP si RUi > ETP. Dans le cas contraire, RUj = 0. Après l'arrivée des précipitations P du jour, les réserves de fin de journée devraient s'exprimer par RUf = RUj + P Si RUf dépasse la valeur maximale RFU des réserves en eau utile, la capacité d'absorption de la zone capillaire est dépassée et un écoulement se produit vers la nappe : ce sont les précipitations efficaces PE ; sinon il n'a pas lieu : . si RUf > RFU, alors PE = RUf - RFU et RUi = RFU (les réserves sont saturées) . si RUf < RFU, alors PE = 0 et RUi = RUf (les réserves restent inchangées). - calcul des entrées d'eau dans la nappe : Soient pO, p l , p2, p3,... pn les parts d'une pluie efficace PE arrivant dans la nappe avec un retard de 1, 2, 3 , . . . n jours et PEO, PEl, PE2, PE3,... PEn, les pluies efficaces du jour considéré, du jour précédent, de 2, 3 , . . . n jours antérieurs, la quantité d'eau PA qui arrive à la nappe du fait des retards est : PA = (PEO x pO) + (PEl x pl) + (PE2 x p2) + (PE3 x p3) + ... + (PEn x pn). - calcul du niveau piézométrique après arrivée de l'eau : Soit NPi le niveau piézométrique en début de journée. Après arrivée de l'eau PA, le niveau, en fin de journée, devient NPj = NPi + PA. - calcul du niveau piézométrique après effet des sources : Soient Ho l'altitude des sources, k le coefficient de proportionnalité entre la baisse journalière du niveau piézométrique et la hauteur d'eau au dessus des sources. La hauteur d'eau au dessus des sources est NPf - Ho La baisse de la nappe dans la journée est DNP= (NPj - Ho) x k Le niveau piézométrique s'établit en fin de journée à NPf = NPj - DNP Ainsi, la liaison entre les précipitations et le niveau piézométrique n'est pas directe, la relation directe s'établit entre les précipitations et la variation de niveau piézométrique correspondante. Il en est de même pour les réserves utiles. On ne peut calculer le niveau piézométrique et les réserves utiles en fin de journée que si l'on connaît les valeurs correspondantes en début de journée. Les calculs ne peuvent donc démarrer qu'à partir d'une date dont les niveaux piézométriques et les réserves utiles sont connus, c'est à dire un jour où le niveau piézométrique a été enregistré et qu'après de fortes pluies d'hiver les réserves utiles sont voisines des réserves facilement utilisables RFU ou qu'après une période très sèche de l'été, les réserves utiles sont très probablement nulles. ECO L'EAU est un modèle différentiel. d. Limites de validité du modèle dans diverses conditions hydrogéologiques : Le modèle mis au point doit son intérêt pédagogique à l'aquifère de petite taille, aux limites bien connues et dans lequel les phénomènes décrits apparaissent avec des ordres de grandeur voisins. Il possède cependant une portée générale du fait de sa définition peu restrictive. C'est pourquoi on pourrait envisager de l'appliquer à des situations variées : - à des bassins versants de tailles très différentes, en modifiant la loi des retards : ceux-ci sont d'autant plus grands que le bassin versant est plus grand, - à des bassins de nature différente : plus les pentes sont fortes, le bassin étanche et la végétation rare, plus les retards sont faibles, - à des climats très différents, par une modulation en amplitude et en phase de la fonction pratiquement sinusoïdale de l'évapotranspiration en fonction du temps, - à des capacités de drainage de la nappe très différentes suivant la perméabilité de l'aquifère et l'étendue de l'intersection, à l'aval, de la nappe et de la surface topographique. La modélisation d'une nappe en pays karstique peut constituer un exemple limite des écoulements de surface très rapides, avec une capacité de rétention du sol très faible et un débit des sources qui ne répond plus exactement à la loi de proportionnalité mais dépend directement de la répartition des circuits karstiques. La modélisation d'une nappe alluviale de fleuve en un point particulier du cours représente un autre cas limite tel que, dans ECO L'EAU, la nappe ne serait pas seulement alimentée par les précipitations locales mais aussi par la nappe à l'amont et que la sortie de l'eau ne se ferait pas par des sources mais par l'écoulement de la nappe vers l'aval. La connaissance des caractéristiques hydrogéologiques n'a pas ici l'importance qu'elle a pour H Y D R O S . ECO L'EAU n'a pas recours aux lois physiques théoriques qui régissent l'écoulement de l'eau dans un milieu perméable. Il ne fait pas appel aux mesures de perméabilité du terrain et de rugosité de la surface du sol, propriétés qui déterminent l'écoulement de l'eau. Il nécessite en revanche la connaissance des lois empiriques qui permettent de déterminer l'évapotranspiration potentielle et les caractéristiques globales des systèmes hydrauliques : part des précipitations arrivées avec retard, quantité d'eau retenue dans la partie superficielle du terrain, quantité d'eau rejetée par les sources en fonction de la hauteur d'eau. Chaque cas particulier impose un calcul d'ajustement aux mesures indispensables du niveau piézométrique. e. Caractères des données Les données utilisées par le logiciel comprennent, pour la période 1974-1978 préalable aux travaux d'E.D.F., la date, la pluviométrie quotidiennement enregistrée sur le site ou reconstituée à partir des stations voisines dans les rares cas de panne de la station du site, la température journalière moyenne (moyenne des valeurs maximale et minimale du jour), les niveaux piézométriques donnés chaque semaine par quatre piézomètres. Ainsi, ECO L'EAU est un modèle empirique dont les éléments donnent des phénomènes une représentation physique proche de la nature, sans référence aux lois de la physique. Il fait appel à des calculs nombreux mais simples. En résumé les deux modèles H Y D R O S et ECO L'EAU se complètent pour exploiter une démarche successivement physico-mathématique et naturaliste. 2. Structuration pédagogique d'ÉCO L'EAU Écrit pour faire comprendre le fonctionnement d'une nappe d'eau, le scénario initial d'ÉCO L ' E A U prévoyait une construction en deux parties : l'une analytique, l'autre de simulation. a. L'analyse a pour objectif la prise de conscience des facteurs qui régissent une nappe d'eau. Elle porte sur les éléments d'une banque de données piézométriques et climatiques, constituée par E . D . F . en prévision de l'exploitation hydroélectrique du site aujourd'hui occupé par la retenue dtAllevard, au nord-est de Grenoble. Les informations sont accessibles par un choix de période (fig. 7). Fl - Ou» f a i r » 7 F2 - C o — • n t a i r + s Echap - Sorti» Fig. 7.- Représentation graphique donnant accès à la détermination l'influence des précipitations sur le niveau supérieur de la nappe. de La superposition des deux graphiques et le déplacement possible de l'un par rapport à l'autre assurent la mesure du retard moyen de la montée consécutive à l'arrivée des précipitations. Pour rendre l'analyse plus précise, l'utilisateur peut appeler des repères sous la forme de traits verticaux. La recherche de l'influence des précipitations suivant les saisons s'illustre de courbes dont la pente renseigne sur leur efficacité (fig. 8). U a r i a t i o n du niveau piézométrique de P3 e n t r e 2 mesures consécutives <m) 60 * Hiver o Eté 80 100 P r é c i p i t a t i o n s e n t r e 2 mesures <mm> La d r o i t e a c t u e l l e c a r a c t é r i s e r a i t une i n f l u e n c e des p r é c i p i t a t i o n s t e l l e que : 1 mm de p r é c i p i t a t i o n s f a i t monter l a nappe de FI - Que f a i r e ? F2 - Commentaires Echap - 0.0 millimètre Sortie Fig. 8.- Représentation graphique de la relation entre précipitations et variations du niveau piézométrique : les précipitations efficaces font monter la nappe en hiver, elles sont nulles en été. Les précipitations efficaces se déduisent aussi, indirectement, de l'étude graphique des modalités de vidange de l'aquifère, confrontée au modèle d'un réservoir percé : ce n'est qu'en l'absence de précipitations efficace, qui s'opposent à la baisse du niveau supérieur de la nappe, que l'aquifère se vide comme un réservoir percé non alimenté. En autorisant la translation de la courbe de vidange théorique du réservoir, le logiciel permet de déterminer h s périodes de coïncidence avec la baisse du niveau piézométrique, autrement dit les périodes où, l'eau tombée n'entrant pas dans la nappe, le débit des sources n'est pas compensé (fig. 12). b. La simulation du fonctionnement de la nappe permet à l'utilisateur de contrôler les facteurs de variation du niveau piézométrique. Cette phase quantitative exploite un modèle mathématique inaccessible dans le temps scolaire. Pour l'enseignement apparaît la nécessité de définir ce modèle complexe par une représentation schématique qui facilite au départ la mise en relation conceptuelle des facteurs dégagés de l'analyse et susceptibles d'intervenir dans la simulation. La visualisation de la dynamique de la nappe, sous forme d'un schéma fonctionnel hydraulique animé, prépare l'ancrage des déductions de l'élève en phase de simulation (fig. 9). PRECIP. Précipitations <• EUAPOR. U E v a p o t r a n s p i r a t i o n p o t e n t i e l l e <im) t 200. 100. Réserves facilement 300. 200_ RESERUES FACILEM. UTILISAB. utilisables 9| 14 lOi (n) d i l in i i . i l l 3J Niveau d e l a nappe 4| <mm> 6J H Hauteur ^ ^ 9| 7 P é r i o d e n * 13 700. Précipitations 600. Evapotransp. 400. 200. 100. 0_ i 11 12 d ' e a u é v a c u é e p a r l e s s o u r c e s (mm) 800. 300. ÎOJ A vous d e jouer 900. 500. 12 11 12f I — mm 01 pot. 0 J Fig. 9.- Modèle mettant en évidence l'influence des différents facteurs de variation du niveau supérieur d'une nappe : cinq boites reçoivent les précipitations, l'évapotranspiration, les réserves facilement utilisables, l'eau de la nappe et l'eau des sources. Un bilan a lieu, mois par mois, qui peut être prolongé par l'utilisateur, au gré de ses données ou de ses hypothèses. A l'opposé de ce modèle simple et imagé, le modèle mathématique, typiquement professionnel, est la boite noire qui calcule et permet de prévoir. Figuré pour l'élève sous forme de courbes, il devient explicite, et rend alors possible la confirmation ou l'invalidation du modèle en cours d'élaboration (fig. 10). 60 1 P r f ç j p i t a t j o n s <MA> — Évapotranspiration potentielle 40 20 0 1L ii.. ,ikIHtl 11 il L1 .iilil .,il.lin. j l, m Ë 1 I m Taux de s a t u r a t i o n des reserres 80 60 40 20 0 1 1 u t i l e s </Q Njv«+u* P K r i g w f t r j q u e s <•>> — C+Jwlg * observe Débit des sources <»etres cubes/heure? 1974 Fig. 10.- Représentation graphique des données corrélées dans le modèle mathématique. Tant que le niveau piézométrique calculé ne se superpose pas au niveau piézométrique observé, le modèle n'est pas calé. Plusieurs caractéristiques d'ÉCO L'EAU donnent plus de liberté et d'autonomie à l'utilisateur : l'accès au menu depuis les différents thèmes, les fonctions d'aide (Fl) et de commentaires (F2), le dictionnaire (F3), l'accès direct à la définition des mots écrits en capitales dans l'aide et dans les commentaires (F4). La volonté d'exploiter des modèles professionnels implique qu'ils s'ajustent rigoureusement au réel. Le choix d'un modèle à simple valeur didactique offrant un accès facile et concret -probablement simpliste- à l'explication des phénomènes ne permettrait pas d'atteindre l'objectif qui est de motiver les élèves par une mise en situation proche de celle d'un vécu professionnel. En effet, celui-ci est toujours confronté à des problèmes concrets : approvisionner en eau des aciéries, irriguer un champ de maïs ou drainer la nappe d'un talus destiné à optimiser, en toute sécurité, la capacité d'une retenue (fig. H ) . 60 40 20 0 i 1 1 1 m i t 1 b,Jl L U i l i\ u'Ji Jbl 1 , IJJ „i , 1 1 II ibkLl 1 l.l, i y ii il ulvu Evapotranspiration potentielle («m) Taux de saturation des réserves utiles CV.) 1 W Niveaux piézométriques (m) 3 - calcule —• enregistre Mise en service des drains Fig. 11.- Simulation montrant l'impact d'un drainage sur le niveau piézométrique. La validation du modèle passe par son ajustement aux contraintes du réel. Fig. 12.- Représentation des variations du niveau piézométrique, sur une période choisie de trois ans, comparée au modèle graphique de vidange d'un réservoir percé. En translatant la courbe de vidange, l'utilisateur détermine les périodes de coïncidence durant lesquelles la nappe n'est pas alimentée par les précipitations efficaces. L'aquifère se comporte alors comme un réservoir percé. Pour HYDROS et pour ECO L'EAU, un seul exemple géographique introduit le modèle. Le premier permet de saisir de nouvelles données pour de nouvelles simulations. Mais celles-ci doivent rester dans le cadre physique du problème hydrogéologique posé. Pour le second, le transfert à de nouveaux environnements serait possible à la condition nécessaire mais non suffisante de disposer de données nombreuses sur les sites. La recherche appliquée en milieu professionnel montre que si des mesures continues, forcément coûteuses, existent dans les zones à risques, elles manquent en l'absence de projet précis d'aménagement, et qu'un modèle est d'autant plus exactement ajusté au réel que les enjeux économiques et humains sont plus grands. La complexité des interdépendances entre les différents paramètres fait que chaque nouveau réel appelle un remaniement du modèle. En résumé, pour les deux logiciels utilisés, la transposition devait faciliter les apprentissages scientifiques sans introduire d'inutiles difficultés d'ordre informatique. L'ordinateur rend favorable l'exploitation pédagogique en autonomie des logiciels adaptés à condition d'être rapide, avec écran couleur de haute résolution et de servir dans le cadre de véritables travaux pratiques en petits groupes. Longue et progressive, la transformation a consisté à mettre les produits en conformité avec le matériel -les matériels- de l'Education nationale et surtout à opérer les modifications successives d'ordre pédagogique, susceptibles d'améliorer l'appropriation des concepts. Grâce aux représentations graphiques conventionnelles que l'élève doit sans cesse confronter à ses propres conceptions, l'ordinateur facilite l'approche individuelle des nappes d'eau, objets réels complexes à dynamique multifactorielle. C'est surtout cette visualisation des phénomènes qui distingue les deux produits expérimentés des véritables logiciels professionnels où la précision des résultats des calculs prime sur leur lisibilité. En dépit des contraintes qu'impose le transfert à la classe des logiciels professionnels, leur emploi s'avère riche de promesses car il donne accès à une démarche scientifique très complète. En ouvrant la géologie aux autres sciences et en entraînant les élèves au raisonnement déductif, ceci plaide en faveur d'un enseignement de la géologie qui garde un ancrage dans le réel complexe tout en facilitant une indispensable exploitation rationnelle des modèles. Le menu et les principales fonctions d'ÉCO L'EAU. A : FAIRE CONNAISSANCE Données sur le site A l . Données de terrain et cartographiques : nappe souterraine d'Allevard A2. Données climatiques et piézométriques : choix d'une période d'étude A3. Représentation graphique des données pour la période d'étudier B : OBSERVER POUR COMPRENDRE LES NAPPES Recherche des facteurs de variation des nappes naturelles B l . Influence des précipitations B2. Influence de la saison B3. Influence des sources C : CONSTRUIRE UN MODÈLE POUR REPRÉSENTER LES NAPPES Explication et représentation du fonctionnement des nappes B l . Type de modèle et composants du modèle : choix du modèle B2. Représentation du modèle hydraulique B3. Représentation du modèle mathématique confronté au réel D : SIMULER POUR PRÉVOIR L'IMPACT DE TRAVAUX SUR LES NAPPES Exploitation du modèle pour prévenir des risques D l . Prévision de l'impact d'un pompage industriel D2. Prévision de l'impact d'un pompage pour irrigation D3. Contrôle de l'efficacité de travaux de drainage III. APPLICATION PÉDAGOGIQUE DES OUTILS ADAPTÉS L'étude expérimentale de l'utilisation des logiciels a eu lieu au Lycée Bichat de Lunéville et au Lycée Callot de Vandœuvre pour H Y D R O S , au Lycée Jeanne d'Arc de Nancy et au Lycée Callot de Vandœuvre puis au lycée Henri Poincaré pour ECO L'EAU. A.Utilisation du logiciel HYDROS pour comprendre et représenter dans l'espace la dynamique d'une nappe Le syndicat intercommunal de Loisy exploite l'eau de la nappe alluviale de la Moselle pour la consommation humaine (A.E.P. : Adduction d'Eau Potable). Le logiciel H Y D R O S donne accès à une simulation cartographique des isopièzes qui permettent de prédire les effets des modifications de certaines conditions hydrodynamiques ; il devient possible d'agir pour assurer une protection et une gestion de cette ressource en eaux souterraines. Cependant, le professionnel doit confronter en permanence les résultats obtenus aux résultats constatés sur le terrain. L'emploi du logiciel au lycée place donc l'élève dans des situations réelles concrètes, étendant à la classe la résolution de problèmes d'hydrogéologie : écoulement de l'eau d'une nappe alluviale, surveillance et protection de la nappe en exploitation. 1. Activités des élèves - Prérequis : concepts de roche sédimentaire, d'aquifère, de porosité et de perméabilité, lecture d'une carte et d'un profil topographique, d'une carte et d'une coupe géologiques simples. - Matériels : alluvions de la Moselle, roches argileuses de la vallée de la Moselle et calcaires de la Côte de Moselle, photographie aérienne du site, carte topographique de Pont-à-Mousson à 1/25000 et carte géologique correspondante agrandie à 1/25000. - Vocabulaire et mots-clés : potentiel hydraulique, surface piézométrique, niveau piézométrique, ligne isopièze ou ligne équipotentielle, lignes de courant, rabattement d'une nappe, périmètre de protection de la nappe. a. Comprendre le fonctionnement d'une nappe d'eau : écoulement de l'eau de la nappe. La présentation géographique et géologique du site à l'aide des outils traditionnels du géologue permet de préciser, sur un profil piézométrique suivant XX', l'acquis conceptuel concernant la relation des eaux de surface et de la nappe avec, en particulier, sur un profil piézométrique suivant YY', le sens d'écoulement de l'eau de la nappe en l'absence de pompage. Elle pose clairement les problèmes liés aux ouvrages existants, ou en projet : présence d'une station de pompage repérée sur la carte par l'intersection de XX' et YY', implantation d'un barrage destiné à régulariser le débit de la rivière à l'amont d'une centrale thermique, tracé d'une autoroute,... (fig. 13). Le travail sur ordinateur requiert de l'élève un réinvestissement des prérequis conceptuels et méthodologiques et l'utilisation des informations obtenues à l'aide des documents bruts et élaborés de terrain. N 500m Fig. 13.- Carte topographique faisant apparaître, en P, la station de pompage située dans la boucle formée par l'Obrion, le canal et la Moselle. Elle montre aussi, au Nord, la centrale électrique de Blénod les Mouson et, de direction nord-sud, l'autoroute A31 déjà construite. Pont-à- Le programme comporte plusieurs fichiers préconstitués correspondant à des situations réelles de la nappe, avec et sans pompage, en été et en hiver. Nappe non exploitée : - l'élève choisit un fichier de nappe non exploitée, en été par exemple, - il demande le tracé du bloc-diagramme de la surface piézométrique de la nappe par l'ordinateur, - il fait réaliser par le logiciel divers profils de la surface piézométrique repérés sur le bloc-diagramme (fig. 5), - l'analyse de ces profils l'amène à préciser la relation entre surface piézométrique et niveau de l'eau dans la rivière, - il demande l'affichage des lignes équipotentielles (fig. 14 : fichier 2ETESP2). Le graphique obtenu renseigne sur les niveaux piézométriques ou potentiels hydrauliques (en abrégé POT.), MODELE : M0SELLE2 FICHIER : 2ETESP2 MODELE : M0SELLE2 FICHIER : 2ETEAP2C EQUIDISTANCE 0.050 E D EQUIDISTANCE 0.078 F D E F 178.83 4-x179.22 179.61 B 500m A '180.00 B 500m A '180.00 Fig. 14.- Cartes des isopièzes obtenues par simulation de l'écoulement de l'eau de la nappe de Loisy en l'absence et en présence d'un pompage. - sur les indications de l'enseignant, il trace à l'écran diverses lignes hypothétiques d'écoulement d'eau à partir de différents points de la nappe ; la correction de ce tracé peut être effectuée par l'ordinateur. Les différentes lignes de courant ainsi visualisées donnent une idée précise de la dynamique spatiale de la nappe (fig. 1). De cette séquence se dégage une règle : dans un aquifère isotrope, l'eau de la nappe s'écoule perpendiculairement aux isopièzes, des potentiels hydrauliques les plus élevés vers les potentiels les plus bas. En suivant pour un fichier hivernal la même démarche que pour le fichier estival initialement choisi, on introduit, par comparaison, la dynamique temporelle de la nappe ce qui favorise la généralisation de son fonctionnement. Nappe en exploitation : - l'élève choisit un fichier de nappe exploitée, en été (fig. 14 : fichier ou en hiver, pour obtenir le tracé des lignes équipotentielles et des lignes de courant d'eau. Par comparaison avec les cartes obtenues en l'absence de pompage, il déduit l'influence du pompage sur l'écoulement de l'eau ; il peut déterminer le lieu des points tels que l'eau de la nappe s'écoule vers le puits à la saison considérée. 2ETEAP2C), De cette séquence se dégage la notion de rabattement de nappe. Par ses activités dans l'environnement de la nappe et par l'exploitation de la réserve qu'elle constitue, l'Homme modifie la qualité de l'eau et la quantité disponible. La séquence suivante introduit le problème de surveillance de la nappe à des fins de gestion et de protection : à l'aide des cartes réalisées par l'ordinateur, l'élève doit répondre à ces deux objectifs du Syndicat d'exploitation des eaux de Loisy. b. Sauvegarder la qualité de l'eau : prévention des risques de pollution dûs à un accident routier. - l'élève trace, sur la carte d'isopièzes obtenue par un fichier avec pompage (fig. 15 : fichier 2ETEAP2C), les lignes de courant qui montrent dans quelles conditions un polluant déversé sur l'autoroute A31 peut atteindre le puits, - il déduit du tracé la portion d'autoroute présentant des risques pour la station, - il trace les limites de la zone de protection à aménager le long de l'autoroute pour sauvegarder la qualité de l'eau de pompage, - en comparant les cartes d'isopièzes obtenues à différentes saisons, il propose un nouveau tracé pour l'autoroute. La représentation de l'autoroute et/ou de ses rives fait appel à la fonction <tracé manuel> des lignes de courant, comme pour le périmètre de sécurité devant assurer la protection des puits dans des conditions variées (pompage à divers débits... ). MODELE : MODELE M0SELLE2 POT. FICHIER : 2ETEAP2C 177.66 POT MOSELLE POT. MIN MAX FICHIER : 2ETEAPE MIN 174.17 POT. MAX 180.00 180.00 EQUIDISTANCE EQUIDISTANCE 0.078 0.194 X-H+ 179.03 A31 A31 Fig. 15.- Cartes des isopièzes obtenues par simulation de l'écoulement de l'eau de la nappe, montrant le rabattement accru quand le débit du pompage augmente. c. Gérer la ressource en eau : répondre à des besoins en augmentation Pour répondre à une demande croissante, le syndicat intercommunal de Loisy prévoit d'augmenter le débit du pompage ou de forer un nouveau puits dans la nappe en exploitation. Il veut connaître à l'avance les conséquences de ces actions sur le niveau piézométrique et sur les risques de pollution. Il s'interroge également sur l'incidence d'un étiage de la Moselle. - Pour prévoir l'effet d'une augmentation du débit de pompage, l'élève appelle un fichier correspondant à cette hypothèse (fig. 15 : fichier 2ETEAPE). En opérant comme précédemment, il visualise la surface piézométrique, fait apparaître le rabattement de la nappe, d'autant plus important que le débit est plus grand, et il reconsidère le tracé de l'autoroute à la lumière des nouvelles lignes de courant. - Pour déterminer l'effet d'une baisse de niveau de la Moselle, l'élève demande l'accès à H Y D R O M O D afin de changer les conditions -les potentiels hydrauliques- aux limites puis d'observer la nouvelle carte des isopièzes, - Il peut de la même façon imposer d'autres changements aux caractéristiques du modèle (débits unitaires dûs aux apports par les pluies, débits linéaires dûs aux apports latéraux des coteaux calcaires, débits ponctuels d'un ou de plusieurs pompages supplémentaires...) pour créer de nouvelles simulations (fig. 4). Une conclusion s'impose : la protection et la gestion d'une réserve d'eau souterraine doit prendre en compte l'ensemble des facteurs qui influent sur la qualité et la quantité de l'eau disponible : propriétés de l'aquifère (dimensions, porosité et perméabilité), conditions hydrodynamiques aux limites, conditions climatiques, interventions humaines (débits de pompage, périmètres de protection...). d. Connaître l'écoulement de l'eau sous un barrage : en prévenir les conséquences Les fichiers de barrage disponibles ont été obtenus à partir de l'exemple alpin de Bissorte, construit en Maurienne au niveau d'un verrou glaciaire, sur des formations résistantes, conglomératiques présentant une grande perméabilité de structure. Ce matériau de fondation du barrage constitue l'aquifère dont le professionnel a déterminé préalablement les caractéristiques hydrodynamiques en fonction des paramètres de l'ouvrage en projet. Mis dans la situation professionnelle préalable à la construction du barrage, l'élève doit prévoir les solutions économiquement favorables à sa sécurité au renversement. Écoulement de l'eau sous un barrage-poids : - l'élève obtient le tracé des lignes équipotentielles et des lignes de courant du domaine sous barrage, - afin d'évaluer la stabilité de l'ouvrage, il représente, à l'aide de l'ordinateur, les différentes forces qui s'exercent sur le barrage-poids, - il concrétise l'écoulement sous-barrage et, pour chaque ligne isopièze, il déduit du niveau piézométrique en mètres d'eau (de 70 à l'amont à 0 vers l'aval), la hauteur à laquelle l'eau monterait si un piézomètre l'atteignait à la base de l'ouvrage (fig. 16). MODELE : 50 MODELE : BARRAGE A5 Âo tS 30 BARRAGE FICHIER : 15 NYB3 20 FICHIER : NYB3C4 POT. MIN 0.00 Fig. 16.- Page de classeur d'élève simulant la mise en place d'un voile de béton sous le barrage, pour accroître son coefficient de sécurité au renversement. L'eau exerce sous le barrage des forces qui tendent à le renverser, de moins en moins fortement de l'amont vers l'aval de la base de l'ouvrage. C'est ce qui explique la section triangulaire du barrage-poids. Pour stabiliser l'ouvrage en réduisant plus rapidement à l'amont les forces de sous-pression, le professionnel intervient par des voiles de drainage et/ou d'étanchéité de perméabilité plus ou moins grande, aux effets hydrauliques comparables à ceux offerts respectivement par une faille très étanche ou une faille ouverte. Augmentation de la stabilité du barrage : - Après avoir fait déterminer par l'ordinateur le coefficient de sécurité du barrage en l'absence de voile, l'élève simule le détournement favorable des lignes de courant par un voile d'étanchéité : pour voir l'influence de la fondation sur les écoulements souterrains donc sur la sécurité de l'ouvrage, il peut faire appel à différents fichiers pour lesquels a été simulée l'influence de voiles d'étanchéité et/ou de drainage différant par leur emplacement sous le barrage, leur profondeur dans le domaine sous barrage et leur perméabilité. - L'élève peut être invité à accéder à H Y D R O M O D pour modifier lui-même localement la perméabilité de l'aquifère en créant, par exemple, à un endroit précis sous l'ouvrage, un voile d'injection de perméabilité dix fois, cent fois, mille fois,... plus faible que celle de la roche située sous le barrage. En désignant les nœuds extrêmes qui la caractérisent, il définit la fraction de grille concernée par la modification du domaine sous barrage et lance les calculs. Le fichier ainsi créé est sauvegardé, ce qui permet de le rappeler, d'examiner à l'écran les lignes équipotentielles, de mettre en évidence, pas à pas ou en mode automatique, l'écoulement de l'eau de l'amont vers l'aval dans l'aquifère du domaine situé sous l'ouvrage et/ou de faire calculer par l'ordinateur la nouvelle répartition des forces de sous-pression et le nouveau coefficient de sécurité du barrage devenu nettement supérieur à 1. - L'élève peut choisir de modifier d'autres conditions hydrodynamiques (hauteur de la retenue, etc.) pour faire calculer par l'ordinateur l'influence du poids de l'ouvrage, opposé à la poussée de l'eau à l'amont et aux pressions qui s'exercent sous le barrage. L'étude montre que la déstabilisatrices, peuvent d'eau de la retenue et en voiles et un poids calculés poussée de l'eau et les forces de sous-pression, et doivent être contrôlées en maîtrisant la hauteur agissant, dans la réalisation de l'ouvrage, par des pour assurer la stabilité donc la sécurité du barrage. 2. Évaluation des résultats de l'expérimentation d'HYDROS en classe L'expérimentation de la partie consacrée à la nappe alluviale de Loisy s'est déroulée sur deux années scolaires, en 1990-1991 et en 1991-1992, pour permettre d'adapter progressivement les produits aux objectifs modulés par les réactions des élèves. a. Expérimentation en classe de seconde La première phase, en 1990-1991, a concerné deux classes d'une trentaine d'élèves, dédoublées pour les travaux pratiques dans une salle équipée de deux ordinateurs et d'un rétroprojecteur. Puisqu'une bonne compréhension des modèles informatiques impose une approche claire et concrète des faits donc l'utilisation préalable des outils traditionnels, les élèves disposaient de documents d'accompagnement destinés à faciliter l'analyse préalable : - une photographie aérienne et un plan de situation à 1/10 000 pour deux élèves, - une carte topographique à 1/25 000 du site pour chaque élève, - une carte géologique agrandie à 1/25 000 pour deux élèves. Des transparents pour rétroprojecteur de ces documents favorisent la mise en commun et la correction des observations. Des tirages individuels, sur papier, préparent la mise en relation du concret à l'abstrait, avec retour au concret : des photocopies d'extraits de cartes, topographique et géologique, et des reproductions de courbes isopièzes obtenues par simulation sur ordinateur assurent le suivi et l'évaluation du travail personnel. Pour chaque séquence intégrant un bref emploi de l'ordinateur, l'alternance du travail sur matériel informatique et sur documents traditionnels manque de confort. En dépit des conditions difficiles d'accès individuel aux ordinateurs, révélatrices des différences d'appropriation entre les élèves plus ou moins familiarisés avec l'informatique, des notions ont nettement bénéficié de l'emploi du logiciel : - l'écoulement de l'eau d'une nappe, par la représentation des lignes de courant, - le rabattement de la nappe, par l'obtention de profils de la nappe, - les facteurs de variation du niveau piézométrique, par la comparaison des lignes isopièzes obtenues par simulation dans des conditions différentes, - l'impact de l'homme sur les nappes, par la prévision de l'incidence de ses interventions sur la dynamique de l'eau. Mais le passage des documents traditionnels au modèle sur ordinateur s'avère trop brutal. Un schéma très abstrait à l'écran suffit au professionnel, le même schéma, pourtant concrétisé, déroute les élèves. Une étape s'impose pour expliquer le passage de la carte topographique à celle des isopièzes. Cette première expérimentation entraîne des améliorations informatiques et pédagogiques : H Y D R O S permet de superposer le maillage à la carte des isopièzes. Interrogé, l'ordinateur trace les lignes de courant qui servent d'autocontrôlé à la compréhension de la dynamique de la nappe et préparent le retour aux documents traditionnels de l'évaluation finale. Une carte topographique comportant le maillage du modèle permet de surimposer les isopièzes aux limites géographiques : au lieu d'une approche collective grâce au seul rétroprojecteur, elle assure la découverte individuelle des points de convergence entre le dessin cartographique sur papier et le schéma d'ordinateur à traduire sur le papier. La deuxième phase de l'expérimentation a eu lieu l'année suivante, quand les lycées s'équipaient d'une salle de travaux pratiques en partie dédiée aux technologies nouvelles, cinq à huit postes permettant d'y travailler à deux ou trois élèves par ordinateur. Elle a concerné à nouveau deux classes de seconde d'une trentaine d'élèves et permet de préciser les apports de l'ordinateur dans l'évaluation de la capacité à comprendre la dynamique d'une nappe alluviale. Pour préciser les objectifs susceptibles d'être atteints au travers du logiciel les deux classes participent ensemble à un protocole expérimental en réalisant des exercices formatifs en parallèle pendant trois séquences de 50 à 55 minutes : une durée importante au regard de l'ampleur des programmes mais difficile à comprimer en phase de recherche. Rarement aussi complète, l'exploitation prendrait moins de temps en utilisation courante. HYDROS, Les deux classes X et Y approchent les problèmes par des exercices préalables communs, sur documents géographiques et géologiques traditionnels. Ils portent sur l'identification de l'aquifère, la représentation de la nappe et la recherche d'une solution (un ou plusieurs puits ou piézomètres) pour vérifier l'hypothèse du sens d'écoulement de l'eau de cette nappe. Les résultats de cette première partie commune différent peu entre les deux classes (fig. 17). Pourcentage de réussite classe X la. Identification de l'aquifère et/ou de la nappe l b . Représentation correcte du niveau supérieur de la nappe de plusieurs puits 100 100 75 70 20 30 (ldl) 40 50 (ld2) 60 50 l e . Matérialisation de l'épaisseur de la nappe l d . Construction correcte d'un puits classe Y REPRÉSENTATION DANS L'ESPACE DE LA DYNAMIQUE D'UNE NAPPE ALLUVIALE POURCENTAGE DE RÉUSSITE POUR LA PARTIE COMMUNE SANS ORDINATEUR 1a 1b 1d1 1c H classe X B 1d2 classe Y Exercices 1a à 1c : identification de l'aquifère et représentation correcte de la nappe 1d1 ou 1d2 : construction d'un ou plusieurs puits Fig. 17.- Performances de deux classes de seconde dans une évaluation de la capa- cité à comprendre et à représenter dans l'espace la dynamique d'une nappe alluviale. Pour la partie commune faisant appel aux outils traditionnels du géologue (exercices de la séquence 1) les résultats des deux classes diffèrent peu. Les performances proches des deux classes, pour la partie commune des exercices, autorisent une comparaison des résultats obtenus pour les deuxième et troisième séquences, caractérisées par une approche différente des problèmes à résoudre. Au moment de cette étude en classe X, le lycée ne dispose que de trois ordinateurs, utilisés seulement à la fin des premiers exercices pour l'évaluation et la correction. Les élèves sont guidés dans leurs activités par les cartes d'isopièzes obtenues par simulation sur ordinateur et tirées sur sur imprimante. Peu après, la classe Y aborde les mêmes exercices directement sur ordinateur dans la salle enfin équipée. Les pages-écran obtenues sont ensuite imprimées. C'est le travail sur papier qui, dans les deux cas, sert à l'évaluation mais, dans la classe X, celle-ci a lieu avant d'utiliser l'ordinateur, elle a lieu après dans la classe Y. La correction pratique sur ordinateur apporte dans la classe X un rattrapage tout en offrant aux élèves une satisfaction. Pour la même durée des séquences deux et trois, les résultats des deux classes diffèrent en qualité et en rapidité, les conditions les meilleures résidant dans la recherche d'une solution aidée par l'ordinateur, tant pour la classe X, après une première évaluation moins favorable en l'absence d'ordinateur, que pour la classe Y qui utilise d'emblée l'ordinateur (fig. 18). Les exercices de la deuxième séquence portent sur le tracé des lignes de courant sur la carte des isopièzes en l'absence (2a) puis en présence (2b) d'un pompage et sur la construction d'un résumé clair (2c) ; ceux de la troisième séquence portent sur le tracé de la zone de vulnérabilité au regard de l'autoroute en projet avant (3a) et après (3b) augmentation du débit de pompage et sur la construction d'une conclusion structurée (3c). Seule la classe Y trouve le temps de simuler une nouvelle situation d'urgence (4) en imposant, grâce à H Y D R O M O D , des conditions hydrodynamiques nouvelles par des apports latéraux, polluants, à la nappe de Loisy. Pourcentage de réussite classe X classe Y Nappe non exploitée 2a.Tracé des lignes de courant sur la carte des isopièzes (entre parenthèses : tracé après correction sur ordinateur) Nappe en exploitation 2b.Tracé des lignes de courant sur la carte des isopièze (entre parenthèses : tracé après correction sur ordinateur) 2c.Résumé écrit correct, réalisé grâce à un temps suffisant 3a.Tracé correct de la zone de vulnérabilité 3b.Nouveau tracé prenant en compte un débit accru 3c.Conclusion exprimant les solutions attendues 4. Nouvelle simulation réussie en 30 minutes à une heure 20 (100) 100 30 (100) 100 0 60 60 80 80 100 100 100 100 _2a 2b B classe X avant l'aide de l'ordinateur 2c 3a B classe X aidée par 1 i l'ordinateur Exercices : 2a à 2b : tracé des lignes 2c : résumé de courant 3b 3c classe Y travaillant sur ordinateur 3a à 3b : nouveau tracé 3c : conclusion Fig. 18.- Les apports de l'ordinateur, déduits des performances de deux classes de seconde dans une évaluation de la capacité à comprendre et à représenter dans l'espace la dynamique d'une nappe alluviale. Pour la partie distincte avec rattrapage sur ordinateur (exercices 2), les résultats des deux classes diffèrent tant que la classe X n'utilise pas l'ordinateur et le temps manque à cette classe pour le résumé individuel Pour la troisième séquence sans rattrapage (exercices 3), les élèves de la classe X acquièrent la méthode sans l'aide de l'ordinateur mais l'apprentissage est plus lent que pour la classe Y travaillant sur ordinateur. La troisième phase de rexpérimentation d'HYDROS en classe de seconde s'est caractérisée par une collaboration des professeurs de biologie et géologie, de sciences physiques et de mathématiques pour définir les concepts introduits par le logiciel, outil mathématique mobilisant des notions de physique. D'objectifs disciplinaires plus limités pour se conformer aux programmes, l'évaluation sommative témoigne de progrès unanimes en une séquence d'une heure et demie de travaux pratiques sur ordinateur. Ces progrès portent sur la compréhension de la représentation graphique de la surface piézométrique d'une nappe, sur le tracé par l'élève, des lignes de courant, sur l'explication du rabattement de la nappe autour d'un puits en pompage, sur la définition d'un périmètre de protection autour du puits dans plusieurs situations polluantes, sur le test des hypothèses conçues par l'élève pour dessiner une route en toute sécurité dans l'environnement de ce puits. Les documents cartographiques d'accompagnement se révèlent à l'usage encore trop élaborés pour l'étude préalable ; d'où la nécessité d'utiliser des photographies aériennes du site avant les travaux et de réaliser de nouvelles images mettant en évidence sur le terrain les caractéristiques de l'aquifère. Le modèle l'aquifère, ce une étendue signification hydraulique. informatique de rabattement de nappe fait abstraction de qui risque de renforcer les conceptions des élèves qui imaginent d'eau là où la nappe occupe un aquifère. Il prend sa véritable si les élèves expérimentent auparavant sur un modèle Le modèle mathématique prolonge et précise le modèle physique, il ne le remplace pas. Une séparation claire des trois étapes du professionnel offre les perspectives les plus favorables à condition de bien définir les cadres successifs de référence : formulation du problème à une échelle accessible, emploi de modèles physiques et mathématiques, traduction en retour des résultats sur les documents cartographiques de l'échelle de départ. En résumé, la capacité à comprendre et à représenter la dynamique d'une nappe alluviale est indispensable pour appréhender et résoudre les problèmes de gestion et de pollution. Elle exige des apprentissages répétés et diversifiés de la représentation des caractéristiques hydrodynamiques du site : niveaux piézométriques, isopièzes et lignes de courant. L'utilisation de l'ordinateur favorise cette acquisition grâce à deux avantages majeurs : - il peut donner d'emblée les constructions graphiques souhaitées : dans ce cas, la situation pédagogique est proche d'une situation d'application professionnelle, - ou bien il permet de multiplier les essais et de les corriger : dans ce cas, la situation pédagogique contraint l'élève à utiliser ses acquis en appliquant des conditions hydrodynamiques nouvelles pour tendre vers la solution de problèmes de plus en plus complexes en adoptant la démarche du professionnel. Dans les deux cas, l'ordinateur constitue un support privilégié des activités pratiques de l'élève. b. Expérimentation en classe de première B Une expérimentation de la partie d'HYDROS destinée à simuler la circulation de l'eau sous un barrage a eu lieu en 1990-1991 : une séquence pratique de deux heures s'est déroulée dans les mêmes conditions que la première expérimentation en classe de seconde, avec seulement deux ordinateurs. Rapprochée des sciences physiques, elle aide les élèves à mieux dominer un secteur dans lequel ils se sentaient peu à l'aise. Les préacquis des activités sur ordinateur sont apportés par des travaux pratiques sur documents traditionnels qui sensibilisent les élèves au problème géologique dans son contexte économique, domaine de spécialisation de la classe. Le professionnel conclut avec des chiffres, les élèves visualisent leurs résultats. C'est pourquoi H Y D R O S ne présente pas de difficultés majeures d'utilisation : - la comparaison des tracés individuels, manuels, avec les constructions par ordinateur constitue un excellent exercice d'autoévaluation immédiate ; ainsi, la possibilité pour les élèves de créer un voile d'injection de faible perméabilité puis d'en simuler les conséquences hydrogéologiques, comme le ferait un professionnel, gratifie leurs efforts ; c'est un moyen de progression rapide vers une solution aux problèmes hydrogéologiques posés (fig. 16). - le vocabulaire scientifique n'a pas dérouté les élèves de première B parce que les concepts très spécialisés auxquels il fait appel (transmissivité, milieu isotrope ou anisotrope, itération...) ont été préparés avec l'aide des professeurs de sciences physiques et de mathématiques. Pour comprendre ce que représente un barrage dans son environnement, le travail s'est poursuivi avec les professeurs de sciences physiques, de géographie et d'économie. En résumé, le logiciel H Y D R O S , éminemment scientifique au départ, a été reçu comme un outil interdisciplinaire permettant à des élèves préoccupés d'économie de s'investir, comme les professionnels, dans un travail très complet faisant de l'ordinateur un outil de simulation prévisionnelle que la visualisation graphique rend accessible en dépit de traitements mathématiques puissants. L'expérimentation s'achève par le besoin affirmé d'affiner le maillage du modèle préalablement bridé, pour rejoindre une précision proche de celle du logiciel professionnel originel. B. Utilisation du logiciel ECO L'EAU pour comprendre et représenter la dynamique temporelle d'une nappe d'eau La mise en exploitation de la retenue d'eau du site d'Allevard a nécessité l'emploi du modèle mathématique à l'origine d'ÉCO L'EAU pour prévoir le comportement de la nappe alluviale. L'exploitation du logiciel au lycée s'étend à d'autres projets la concernant, susceptibles d'être soumis au professionnel. Confronté au problème de compréhension de la dynamique de la nappe, l'élève doit juger de l'opportunité d'approvisionner en eau les aciéries dïAllevard, d'irriguer des cultures de maïs dans la vallée, de poser des drains pour optimiser en toute sécurité la capacité de la retenue du Flumet. 1. Activités des élèves Prérequis : concepts de roche sédimentaire et de formation sédimentaire, d'aquifère, de porosité et de perméabilité, lecture d'une carte topographique. Matériels : photographies aériennes du site, photographies d'affleurements, carte géologique carte topographique à 1/25000 de la région AAllevard, simplifiée à la même échelle. Vocabulaire et mots-clés : bassin versant, ruissellement, infiltration, précipitations immédiates et retardées, évapotranspiration, réserves facilement utilisables, eau capillaire, niveau piézométrique. a. Comprendre le fonctionnement d'une nappe d'eau : tester un modèle de site. La retenue artificielle du Flumet exploitée par E D F constitue un modèle hydrogéologique. Le fond de la vallée est occupé par des formations fluvioglaciaires constituées de roches meubles, poreuses et perméables dans lesquelles l'eau circule. Par le biais de cartes et de coupes schématiques du site, le logiciel sollicite le réinvestissement des acquis : connaissances de terrain sur les propriétés des roches et sur la mise en circulation de l'eau liée aux conditions géographiques et géologiques du lieu, expériences de laboratoire sur le fonctionnement d'un modèle hydraulique selon les caractéristiques hydrodynamiques, en particulier la perméabilité de l'aquifère. ECO L'EAU permet à l'élève de tester ses hypothèses sur les facteurs susceptibles de faire varier le niveau supérieur d'une nappe. Pour cela : - il consulte les éléments cartographiques qui précisent l'origine de l'eau de la retenue : limites du bassin versant, sens de circulation de l'eau, propriétés des roches qui constituent l'aquifère et le soubassement étanche de la nappe (fig. 19), ' Ruissellement Alluvions <Aquifère) Fig. 19.- Carte et coupe géologiques Flumet. Schistes noirs simplifiées Schistes cristallins du site de la retenue du - il situe les piézomètres P l , P2, P3 et P4 par rapport à la retenue, fait des mesures de niveau d'eau pour comprendre le fonctionnement d'un piézomètre et constate le caractère cyclique, annuel des variations de niveau piézométrique (fig. 20), Fig. 20.- Niveaux piézométriques relevés au piézomètre Pl (mesure cours : le 7 janvier 1978). La poursuite des mesures ferait apparaître caractère cyclique des variations du niveau supérieur de la nappe. en le - il sélectionne une période -deux ans au moins- et un piézomètre pour extraire de la banque de données climatiques et piézométriques les mesures de précipitations, de températures et de niveaux piézométriques faites pendant cette période en ce point, - il fait afficher la courbe de variation du niveau piézométrique en fonction du temps et il appelle, dans l'ordre qui lui convient, les courbes correspondantes des précipitations et de la température pour les comparer et les mettre en relation avec celle du niveau piézométrique ( fig. 21), Une première observation s'impose à l'issue des thèmes abordée dans le bloc A du logiciel, pratiquement indispensables à la poursuite des activités : les précipitations ne montrent pas les variations annuelles observables pour le niveau piézométrique ; l'hiver constitue la saison la plus efficace pour alimenter la retenue ; la température influe considérablement sur l'efficacité des précipitations. Pour préciser la relation entre facteurs climatiques et niveau piézométrique, l'élève peut compléter son analyse par les thèmes du bloc B : - il repère, d'un trait, les maxima et minima des niveaux piézométriques et des précipitations de la période considérée pour visualiser et pour déterminer le retard de la montée du niveau d'eau, si elle a lieu (une semaine environ dans les conditions topographiques et géologiques du Flumet : fig. 7), Fig. 2 1 . - Variations du niveau piézométrique, des précipitations et de la température à Allevard, sur une durée choisie de 3 ans. Sous nos climats, l'influence des précipitations est la plus faible en été. - il détermine l'influence des précipitations suivant les saisons pour la période considérée et il en déduit les précipitations efficaces (fig. 8), - il consulte la courbe de variation du débit des source en fonction de la hauteur d'eau : plus la différence d'altitude est grande entre le niveau supérieur de la nappe et la source, plus le débit de celle-ci est élevé ; il peut aussi déterminer les moments de la période choisie pendant lesquels l'aquifère se vide comme un réservoir percé (fig. 12). Suivant les thèmes du bloc B abordés, l'élève conclut sur les modalités de remplissage et/ou de vidange du réservoir que constitue l'aquifère. La synthèse explicative du raisonnement hydrogéologique complet relatif à l'influence des précipitations sur les variations du niveau piézométrique précise les facteurs de la dynamique temporelle de la nappe : la pente et la perméabilité de l'aquifère interviennent par l'intermédiaire du ruissellement et de l'infiltration, la température influe par l'évaporation et l'évapotranspiration sur les précipitations efficaces qui alimentent effectivement la nappe. b. Modéliser la dynamique d'une nappe : prévoir l'influence de chaque facteur sur son comportement Le modèle hydraulique complet fait intervenir cinq récipients entre lesquels l'eau peut circuler : - si l'élève choisit le modèle complet, tous les récipients sont mis en relation fonctionnelle (fig. 26), - s'il choisit le modèle à assembler, tous les récipients, sauf l'aquifère occupé par la nappe, restent vides (fig. 22), Précipitations ; ; Évapotranspiration Réserves du sol NAPPE Sourœs Fig. 22.- Les éléments nappe. du modèle à assembler pour faire fonctionner la Dans les deux cas, le logiciel récapitule l'état des composants du modèle avant la validation du choix. Pour chaque facteur, l'élève a la possibilité de modifier les options affichées : l'option 0 "pour savoir" donne des informations graphiques qui visent à faciliter le choix entre les options 1 et 2, ; l'option 1 commande de ne pas prendre le facteur en compte, alors que l'option 2 donne la directive contraire. En appelant l'option 0, l'élève lance une animation qui, suivant le facteur considéré, montre comment les précipitations efficaces et retardées se relaient, permet de comprendre l'incidence de l'évapotranspiration suivant les conditions climatiques et édaphiques (fig. 23), active la vidange d'un réservoir percé. 1 2 3 4 Fig. 23.- Option "pour savoir" relative aux réserves facilement Une à une, les animations s'enchaînent climatiques au cours de Vannée. comme varient utilisables. les conditions Par temps froid et pluvieux, les précipitations alimentent les réserves facilement utilisables qui augmentent (1 et 2) et lorsque la saturation est atteinte (3) alimentent la nappe. Puis la chaleur survient et les réserves diminuent par évaporation (4). L'animation suivante, en période sèche, permettrait d'assister à leur épuisement. Ayant choisi les composants de son modèle hydraulique, l'élève fait fonctionner celui-ci jusqu'à ce que, par approximations successives, les phénomènes s'enchaînent conformément à la réalité. Il peut également jouer sur les précipitations et sur l'évapotranspiration pour éprouver ses hypothèses concernant l'influence de ces facteurs sur les variations du niveau piézométrique (fig. 9). L'élève peut aussi appeler les courbes du modèle mathématique correspondant au modèle hydraulique retenu (fig. 10). Il peut en outre, au delà de la période prise en compte, interroger l'ordinateur pour tester ses hypothèses sur l'incidence de pluies réalistes, voire de pluies théoriques, jusqu'au cas limite d'un arrêt total des précipitations accessible par l'indication "pas de pluie" (fig. 24 et 25). Le retour au réel, avec par exemple en 1978 les perturbations dues aux travaux EDF, confère sa validité au modèle informatique de fonctionnement de la nappe. c. Simuler la dynamique de la nappe en exploitation : apprécier la faisabilité d'un projet et prévenir les risques. Une bonne gestion des réservoirs naturels impose de maintenir le renouvellement des réserves souterraines. La connaissance du devenir de la nappe exploitée permet à l'élève de vérifier l'exactitude de ses prévisions concernant l'impact d'un pompage sur les variations du niveau supérieur de la nappe. Un projet porte sur l'alimentation en eau d'aciéries dans la vallée du Flumet. L'élève utilise les informations du modèle pour juger de l'opportunité d'un pompage. Il s'informe sur les contraintes techniques : niveau piézométrique minimal à respecter pour ne pas épuiser la nappe, débit minimal à maintenir au Flumet, débit important et constant requis pour le pompage industriel, puis il choisit le piézomètre près duquel serait réalisé le puits. Pour tester la faisabilité du projet, il simule le pompage dans les conditions climatiques de la période de mesures puis avec toutes les pluies possibles dans la région. En considérant l'incidence du pompage sur le niveau piézométrique, il explique l'impossibilité de pomper à certaines périodes. En argumentant à partir de l'analyse des résultats confrontée à la demande, il montre pourquoi le projet d'exploitation de la nappe n'est pas réalisable (fig. 24). P r é c i p i t a t i o n s <m») Il il. . I ,. ,1 J. I. .Il I. .Il . .... Illl !ll!!ffl]!!|fl![iriliIfll!l^îflJllll!flii!ITl iL E v a p o t r a n s p i r a t i o n p o t e n t i e l l e <m> i — w — avec pompage 1500 Dints^»eTrës"^ûp^s^â7Têurê)"' 1976 1975 F I - Que f a i r e ? F2 - Commentaires — sans pompage t Pompage 1977 1978 Pas de p l u i e ri - Menu g é n é r a l (et f i n d'ECO L'EftU) Fig. 24.- Simulation graphique de l'étude de faisabilité d'un pompage destiné à alimenter une industrie : elle permet de prévoir un abaissement considérable du niveau piézométrique à la suite du pompage dont le débit ne pourrait être maintenu. Un autre projet concerne l'alimentation en eau d'un champ de maïs dans la vallée. L'arrosage prévu de mai à octobre par prélèvement dans la nappe doit garantir la survie des plantes par un taux de saturation minimal des réserves utiles du sol. Pour savoir si la culture du maïs est possible : - l'élève s'informe sur les contraintes techniques du projet : niveau piézométrique minimal à respecter, débit requis pour le pompage exploité chaque année pendant la durée du cycle de vie des plantes dès que le taux de saturation des réserves utiles descend à 80%, maintien de ce débit jusqu'à ce que les réserves soient saturées, - il interroge l'ordinateur afin d'envisager l'incidence de toutes les distributions annuelles possibles de pluies réalistes sur la région d'Allevard, - en s'appuyant sur les résultats, il indique si le projet d'irrigation lui paraît réalisable (fig. 25), 60 40 Il 20 .1 . Il ïkhW iul 0 1 Ji inll h J i.iii, IiLiU'I Evapotranspiration p o t e n t i e l l e ( — ) 1, 0T 0 a u x 1 de s a t u r a t i o n des r e s e r v e s 'V IWU 80 60 40 20 0 Niveaux D i é z o » * t r i o u e s <»> utiles 1 W • courbe i n f . = avec pompage, courbe sup. = sans poapaqe I — Faites votre nappe — | Pluies réalistes • Pluies théoriques Débits (mètres cubes / h e u r e ) —» Sources 1976 I '—• Pompage 1377 Fig. 25.-Simulation graphique d'une étude de faisabilité d'un pompage irrigation : l'impact du pompage sur le niveau piézométrique est faible. I pour Une conclusion s'impose : l'exploitation du gisement d'eau ne remet pas en cause l'état d'équilibre entre les apports et les pertes de la nappe. Sachant qu'une grande part de l'eau d'arrosage retourne à la nappe, le modèle modifié pour représenter la perturbation réintroduit l'eau pompée dans le réservoir des précipitations (fig. 26). ^ - irrigation )— précipitations évapotranspiration pompage Fig. 26.-Schéma fonctionnel du modèle hydraulique adapté à une irrigation : l'eau pompée dans la nappe alimente le réservoir des précipitations qui alimente lui-même les réserves du sol et l'évapotranspiration. Pour accroître la capacité de la retenue, EDF a creusé le marais du Flumet en créant un talus de 12 m de hauteur. L'eau de la nappe montait dans le talus en menaçant sa stabilité. Afin de prévenir les risques, EDF met en place des drains (fig. 27). Fig. 27.- Mise en place de drains visant un rabattement optimal d'une nappe pour prévenir localement un glissement de versant. Pour contrôler l'efficacité propre des drains à faire baisser la nappe : - l'élève cherche à quel (s) moment (s) le niveau enregistré par le piézomètre P4 était plus élevé que le niveau calculé (fig. 11 : période de contrôle du modèle), - il détermine l'influence des sources et celle des drains qui se comportent comme une source supplémentaire dont le débit dépend de la hauteur d'eau au dessus des drains. Il conclut en expliquant l'efficacité des drains, supérieure à celle des sources. 2. Évaluation des résultats de l'expérimentation d'ÉCO L'EAU en classe L'expérimentation a eu lieu dans trois classes de seconde et s'est déroulée en trois phases : une en 1990-1991 et deux en 1991-1992. L'utilisation du logiciel en mai 1992 par une classe abordant tardivement la partie de programme correspondante a permis de tester la dernière version du produit. a. La première phase devait permettre de juger des possibilités du produit en cours d'élaboration. Pour cela, les élèves répondaient, grâce à l'ordinateur, au problème posé par une étude pratique antérieure sur matériel traditionnel : quels facteurs conditionnent l'alimentation d'une nappe. Les élèves disposaient alors d'un ordinateur pour cinq. Après une séance de travaux pratiques de deux heures, l'évaluation de leurs réactions aux premiers modules d'ÉCO L'EAU a eu lieu. En dépit de problèmes de lecture dus au nombre d'élèves par poste et liés aux petites dimension des caractères affichés à l'écran, le logiciel a été bien reçu. Au delà du prérequis fourni par les travaux pratiques précédents, cette séance témoigne du fait que tous les élèves ont saisi l'importance de la température dans l'alimentation d'une nappe. Leurs conclusions attestent qu'ils ont modifié leur modèle mental de fonctionnement des nappes. Cette première étape de l'expérimentation a révélé l'importante dynamique induite au sein des groupes par l'utilisation du logiciel. Le recours aux argumentations pour convaincre les camarades de classe a constitué un point fort, accru par la possibilité de vérifier ou de contredire, par simulation à l'ordinateur, les affirmations de chacun. a. La deuxième phase, en 1991-1992, avait au départ un objectif peu différent de la précédente : comprendre la dynamique d'une nappe d'eau souterraine. Les thèmes de l'analyse (blocs A et B du logiciel) ont cet objectif premier. Comme pour H Y D R O S , le modèle numérique suppose l'utilisation préalable des outils traditionnels pour accéder aux faits et pour préparer sa validation. Après un travail sur cartes, aidé du logiciel, le site hydrogéologique dtAllevard est repéré, de même que l'emplacement des piézomètres. Dans la recherche des facteurs de variation du niveau supérieur de la nappe, l'ordre dans lequel les élèves appellent les courbes significatives du climat exprime leur croyance quasi unanime en l'action quasi exclusive de la pluie (fig 21). En dépit des croyances, l'analyse graphique induit l'hypothèse de l'incidence de la température sur l'évapotranspiration et sur les variations du niveau supérieur de la nappe d'eau. La démonstration lève un obstacle de poids chez les élèves convaincus de l'intervention des seules précipitations. La recherche de l'influence des saisons, autrement dit la généralisation de la notion de précipitations efficaces laisse aux élèves le soin de déterminer la pente des courbes : ce choix provoque des dialogues montrant, en particulier, les avis partagés sur l'opportunité de faire passer ces courbes par l'origine (fig. 8). Les modalités de vidange d'un aquifère révèlent la difficulté des élèves pour distinguer la vidange réelle de la vidange théorique en l'absence de précipitations efficaces. Les courbes étant jugées trop complexes par les élèves, cette partie a dû être repensée. L'étude montre la nécessité pédagogique de délimiter nettement les thèmes pour isoler les facteurs. Très ciblé, le travail d'analyse constitue un premier niveau de formulation du concept de facteur, trop prématuré pour entraîner une formulation généralisante. Les thèmes consacrés à la modélisation de la dynamique d'une nappe offrent le retour à l'interdépendance des facteurs mais une interdépendance schématique, simplifiée et clarifiée. La comparaison du modèle théorique de transit de l'eau dans l'aquifère avec les résultats réels le font considérer comme insuffisant, ce qui fait rebondir le problème. L'approche dynamique facilite l'acquisition de la difficile notion de réserves facilement utilisables. Intéressés par la modélisation et surtout par les simulations, les élèves regrettent que la durée de l'analyse ait raccourci d'autant le temps qu'ils peuvent y consacrer. Il n'est pas nécessaire de parcourir toutes les étapes de l'analyse avant de s'intéresser aux modèles. L'expérimentation montre que la seule modélisation, voire la seule simulation, permettent d'abstraire rapidement les facteurs du fonctionnement des nappes d'eau, accessibles par ailleurs plus progressivement donc plus aisément par l'analyse. La modélisation exprime un souci plus grand de généralisation. Il n'est d'ailleurs pas impossible d'aborder directement la phase de simulation sur ordinateur si la modélisation a été envisagée autrement, à l'aide d'un modèle physique traditionnel, hydraulique par exemple. La validation du modèle par le réel a convaincu les élèves. Le choix de l'année 1976, pour comparer les résultats du modèle théorique aux mesures réelles leur permet de nuancer les conclusions. Mais, arrivés à ce stade, certains ne comprennent plus et se contentent de reprendre les conclusions du logiciel sans en rechercher la signification. Au moment d'utiliser le modèle complet proposé, les élèves étaient interrogés sur sa conformité au réel et sur l'opportunité de son choix. Leurs réponses montrent qu'une construction par étapes n'aurait pas été inutile. Avant la phase suivante de l'expérimentation, une nouvelle adaptation du logiciel prévoit de les faire participer à l'organisation et à l'amélioration progressive du modèle. La suite de l'emploi du logiciel en classe s'organise autour d'études prévisionnelles liées à l'exploitation de la nappe. Leur abord est permis par les simulations. Avant d'aborder un problème de gestion de la nappe, un exercice intégré vise à faire le point des acquis de la modélisation (fig. 24). "Prévoir, par une hypothèse graphique, l'influence d'un arrêt total des précipitations en prolongeant le tracé de toutes les courbes pour la période correspondant à l'indication pas de pluie. " L'évaluation montre à quel point le modèle sert d'appui aux élèves : hormis les hésitations pour exprimer graphiquement une hypothèse sur l'évolution des réserves facilement utilisables (R.F.U.) en l'absence de pluie, évolution difficile à prévoir sans ordinateur, les élèves ayant compris l'énoncé donnent une réponse graphique globalement cohérente. Lorsque des problèmes majeurs existent, ils naissent de la lecture du texte et de sa traduction sous forme graphique : six élèves sur seize n'ont pas compris ce que signifie graphiquement «arrêt total des précipitations». A l'opposé, ceux qui ont su poser le problème graphiquement révèlent, par leur représentation qu'ils ont tous anticipé les faits par une simulation cohérente sinon exacte en l'absence de données numériques (fig. 28). EXPLOITATION D'UN MODÈLE POUR SIMULER L'INFLUENCE DE DIFFÉRENTS FACTEURS SUR UN NIVEAU PIÉZOMÉTRIQUEI FORMULATION DUNE HYPOTHÈSE| GRAPHIQUE PRÉCIPITATIONS EVAPOTRANSP. RÉSERVES F. U. NAPPE SANS P. NAPPE AVEC P. SOURCES POMPAGE (P.) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 EN GRISÉ : RÉPONSES CORRECTES D'UN GROUPE DE TRAVAUX PRATIQUES (16 ÉLEVÉS). Fig. 28.- Évaluation des résultats d'un groupe d'élèves de seconde à un exercice de simulation graphique sur papier mettant en œuvre une démarche déductive. Destinée à vérifier la maîtrise du modèle informatique pour motiver son emploi dans une recherche quantitative précise, elle montre la nécessité, avant d'utiliser un modèle, sur papier ou sur ordinateur, de bien contrôler que l'élève s'est véritablement approprié le problème. Sur leur graphique, la plupart des élèves font descendre le niveau piézométrique plus bas que la base de l'aquifère. Ceci fait apparaître la nécessité de bien insister sur les caractéristiques de l'aquifère de la nappe étudiée par un retour à la corrélation du modèle au réel. Ceci encourage les professeurs à bien définir les contraintes en cas d'exploitation de la nappe. Les élèves ayant bien compris le fonctionnement du modèle ont réussi à s'approprier efficacement et à simuler les réponses au problème d'alimentation en eau des aciéries, au projet d'irrigation et même de mise en service des drains devant la menace de déstabilisation du talus. Mais, plus le temps passe, plus l'écart se creuse entre ceux qui adhèrent à la démarche et ceux qui, manifestement, ne font pas l'aller et retour mental nécessaire entre modèle et réel. Il faut adapter le pas au cheminement des élèves qui n'ont pas suivi la démarche déductive et n'ont pas compris la simulation. Une évaluation sommative aide à préciser les apprentissages : la même interrogation, de même durée -quinze minutes au maximum- sur les facteurs de variation d'une nappe alluviale, est conduite au début et à la fin de l'étude des nappes d'eau employant le logiciel ECO L'EAU. Les données de terrains, de laboratoire et les modèles étudiés permettent aux élèves d'améliorer le schéma fonctionnel de nappe déjà demandé au stade des prérequis : "- construire un schéma de nappe souterraine, - indiquer sur le schéma comment se font les entrées et les sorties d'eau, - conclure en précisant les causes de variation du niveau supérieur de la nappe." L'exercice appelle des réponses sous forme à la fois textuelle et graphique : une redondance en apparence seulement quand on sait que les élèves maîtrisent plus ou moins les deux modes de communication. Toutes les réponses correctes sont prises en compte et distinguées suivant qu'elles sont exprimées par le texte ou par le graphisme. Dans ce dernier cas, une orientation exprimée, par des flèches, des entrées et sorties vient accroître les performances (fig. 29). La comparaison des réponses exprimées au stade des conceptions préalables et en fin d'expérimentation confirme le rôle essentiel du logiciel dans la mise en évidence du rôle de l'évapotranspiration. Elle fait apparaître une prise de conscience de la place des réserves facilement utilisables. Mais les progrès concernant le fonctionnement de l'aquifère sont mineurs et les élèves ont du mal à replacer en vraie grandeur les facteurs du modèle maîtrisé : l'évaluation montre la difficulté à s'approprier un modèle dans le contexte du réel sans substituer le modèle au réel. Cette évaluation sommative portant sur toute l'étude des nappes d'eau fait apparaître des progrès globaux de la classe au niveau graphique et textuel, somme de progrès individuels, graphiques ou textuels, rarement les deux. Le fait qu'ils ne concernent pratiquement pas l'aquifère montre l'intérêt de recadrer à chaque instant le nouveau modèle au regard du réel. Ainsi se confirme la nécessité d'un double entraînement des élèves à la lecture et à l'écriture, textuelles et graphiques. Ainsi se confirme la nécessité de bien définir le champ de validité, autrement dit le cadre de référence des démonstrations et des lois au fur et à mesure qu'avec les nouveaux apprentissages les acquis, donc le cadre de lecture des élèves, grandissent. Pour une appropriation véritable des concepts, les changements successifs de cadre de référence doivent être clairement précisés. C'est particulièrement vrai dans une approche pédagogique exploitant l'ordinateur pour modéliser des phénomènes sur lesquels on expérimente difficilement en vraie grandeur [C. Haguenauer, 1991]. Dans leur grande majorité, les élèves voient dans la nappe le produit d'une accumulation progressive d'eau qui ne dépend que de la quantité de pluie tombée, infiltrée puis emprisonnée dans des cavités, des rivières souterraines ou des sortes de réservoirs naturels, lacs souterrains, «grosses bulles» qu'avec le temps des fissures vidangent. La nécessaire saturation de la zone des réserves utiles, bien comprise de tous en fin d'étude, rompt avec cette croyance. Cet obstacle levé, les élèves relativisent l'incidence d'un pompage, suivant qu'il a lieu en été ou en hiver. FACTEURS DE VARIATION DE LA QUANTITÉ D'EAU D'UNE NAPPEI nombre d'élèves : 26 CONCEPTIONS PRÉALABLES! 20 Réponses correctes relatives aux 1 0 différents facteurs Précipitations Évaporation FACTEURS nombre NOMMÉS d'élèves Réserves du sol Sources REPRÉSENTÉS : 26 Prélèvements Aquifère ORIENTÉS CONCEPTIONS A LA FIN DU CHAPITRE| INCLUANT LES TRAVAUX PRATIQUES SUR ECO L'EAU 20 Réponses correctes relatives aux 1 0 différents facteurs Précipitations Évaporation FACTEURS NOMMÉS Réserves du sol Sources REPRÉSENTÉS Prélèvements Aquifère ORIENTÉS Fig. 29.- Analyse comparée des résultats d'une classe de seconde à un exercice de contrôle de l'acquis énoncé de façon identique en début et en fin de chapitre, en utilisant un vocabulaire volontairement général ne faisant pas référence au logiciel En démontant l'idée simpliste que les pluies alimentent directement les nappes, l'utilisation du logiciel entraîne un remaniement complet des conceptions sur le rôle des précipitations dans le fonctionnement d'une nappe et elle ancre dans le réel le concept de précipitations efficaces. En revanche, le concept de transmissivité qu'elle exploite ne s'étend pas à l'ensemble aquifère et nappe dont les éléments restent séparés dans l'esprit des élèves occupé par leur modèle personnel. 3. La troisième phase du protocole succède à cette expérimentation très complète qui visait à tester largement le logiciel et les capacités des élèves. Cette nouvelle expérience offre aux élèves d'autres classes un temps plus court sur ordinateur pour répondre à des problèmes moins nombreux, choisis par le professeur. Une première évaluation a porté sur la réponse des élèves à la question suivante : "Quel(s) facteur(s) climatique(s) détermine(nt) le niveau de remplissage des nappes d'eau ?" Les résultats d'une classe, obtenus avant les travaux pratiques sur ordinateur, renseignent sur les préacquis : un élève en moyenne sur neuf répond correctement en mentionnant à la fois la pluie et la température ignorée des autres élèves. Quelle que soit la partie du logiciel exploitée par les élèves -analyse ou modélisation- pendant la séance sur ordinateur, la quasi totalité de la classe donne une réponse bonifiée à l'issue d'une séquence d'une heure trente utilisant le logiciel ECO L'EAU. Une évaluation plus fine porte sur la partie du logiciel consacrée à l'analyse pour un groupe de 17 élèves d'une autre classe. Pour évaluer ce que ECO L'EAU leur apprend, ils doivent répondre d'abord aux questions suivantes et, deux heures plus tard, modifier ou compléter, si besoin, leurs réponses : "Qu'est-ce qu'un aquifère ? Qu'est-ce que le niveau piézométrique d'une nappe d'eau ? Qu'est-ce que le rabattement d'une nappe ? Qu'est-ce qui fait varier le niveau supérieur d'une nappe ?" L'évaluation confirme les erreurs des élèves relatives au concept d'aquifère, erreurs nées de conceptions initiales que le logiciel ne déstabilise pas. Le concept de perméabilité d'une roche, bien perçu à l'échelle de l'échantillon, n'est pas maîtrisé dans le cadre de référence du terrain, à fortiori dans celui du modèle. Des concepts apparemment plus nouveaux tels que celui de niveau piézométrique ne souffrent pas de ce changement de cadre.La définition de la notion de battement d'une nappe s'enrichit d'une référence au temps climatique. Les progrès les plus spectaculaires concernent les facteurs climatiques de variation du niveau supérieur de la nappe (fig. 30). Fig. 30.- Analyse comparée des résultats d'une classe de seconde à un test en deux temps faisant évaluer par les élèves eux-mêmes l'acquis sur les causes de variation du niveau supérieur d'une nappe alluviale après une séquence d'une heure et demie de travaux pratiques sur ordinateur. L'évaluation montre une nette amélioration dans la rigueur du vocabulaire, sauf en ce qui concerne l'aquifère. Les difficultés rencontrées par les élèves pour entrer dans les problèmes s'amenuisent quand a lieu un accompagnement scientifique du logiciel visant à mieux maîtriser la notion d'aquifère par un retour permanent aux conditions du réel (fig. 15). En résumé, ECO L'EAU aide à bien comprendre les méthodes, à connaître les instruments et les unités de mesures. Il précise les conditions de remplissage et de vidange des aquifères et permet de comprendre le sens de circulation de l'eau. En relativisant le rôle des différents facteurs, il offre l'ancrage scientifique indispensable au concept de gestion des ressources. ECO L'EAU et H Y D R O S résolvent des problèmes de nappes ancrés dans les préoccupations actuelles face à l'évolution de notre environnement. L'objectif était de donner aux élèves une attitude scientifique, leur critique des médias misant sur les pluies estivales pour alimenter les nappes s'avère encourageante. C. Perspectives offertes par les logiciels ECO L'EAU et HYDROS - Les acquis du collège déterminent les prérequis du lycée. L'exploitation des logiciels au collège de DIEULOUARD, avec des élèves de classe de quatrième, a permis de cerner les capacités qu'il est possible de mettre en œuvre par une éventuelle extension de l'emploi d'ÉCO L'EAU et d'HYDROS au collège. A l'issue du collège, un élève doit pouvoir caractériser les relations entre la roche et l'eau et avoir conscience de la dynamique des nappes dans leur aquifère. L'entraînement répété sur ordinateur à la construction individuelle des lignes de courant et l'obtention des courbes de variations dans le temps du niveau piézométrique facilitent cette approche à condition que la prise de conscience de l'existence d'une nappe ait lieu dans le contexte du réel. L'évaluation va se poursuivre par l'intermédiaire de professeurs de collèges et de lycées qui utilisent les logiciels en formation continue et dont les établissements ou les laboratoires sont dotés d'ordinateurs. Comme pour le groupe de recherche, le type d'exploitation évoluera avec leur niveau d'équipement. - Des journées ont été consacrées à cette formation en 1990-1991 et en 1991 1992, à l'occasion de stages de géologie organisés dans le cadre de la M . A . F . P . E . N . de N A N C Y , conjointement avec l'Université de N A N C Y I. Un nouveau stage aura lieu en 1992-1993. L'augmentation du nombre de salles de travaux pratiques équipées d'ordinateurs et la publication par le C.R.D.P. de NANCY-METZ de 17 fiches descriptives de logiciels de biologie-géologie parmi lesquelles figurent H Y D R O S et ECO L'EAU devraient étendre leur emploi. Une convention entre E.D.F. et l'i.N.R.P. visant la diffusion de ces deux logiciels est à l'étude.. - L'utilisation des logiciels par le personnel d'E.D.F. est prévue : une première présentation est programmée pour la fin de l'année 1992 à la demande des services de la Direction Régionale des Côtes du Nord. Une synthèse permet de faire le point sur le renouvellement qu'apportent et H Y D R O S à l'étude de la dynamique des nappes d'eau. Leur emploi complémentaire intervient dans une problématique, déjà bien installée par les médias, des caractéristiques qualitatives et quantitatives de l'eau des nappes. Un avantage majeur réside dans leur lisibilité à plusieurs niveaux : collège, lycée, classes préparatoires aux grandes écoles et formation professionnelle. L'objectif commun consiste à représenter la nappe en circulation dans l'aquifère, la problématique commune à déterminer de façon quantitative l'incidence des facteurs de variation de ces nappes. E C O L'EAU réel au modèle pour revenir du modèle à une situation réelle. Cette confrontation de la théorie et des faits est commune au praticien chercheur et à l'élève en cours d'apprentissage. Héritiers des logiciels professionnels, HYDROS et ECO L'EAU se pratiquent en trois étapes successives : analyse, modélisation, simulation. En résumé, nous avons retenu le caractère modélisant des logiciels conçus par les hydrogéologues professionnels. L'approche systémique des facteurs de la dynamique des nappes d'eau favorise l'emploi d'une démarche déductive. Outil de stockage de données, de traitement mathématique et graphique et de modélisation, l'ordinateur améliore grandement l'évaluation quantifiée et visualisée de l'action de l'Homme sur son environnement. Pour cette raison, il facilite l'acquisition des concepts scientifiques dynamiques de l'hydrogéologie par les élèves mis en situation de simuler le comportement d'une nappe d'eau. HYDROS et ECO L'EAU font du modèle un outil sans jamais le substituer durablement au réel (fig. 31). Fig. 31.- Le MODÈLE représente-t-il bien la réalité ? C'est la question que posent les logiciels. C'est aussi celle du professionnel et du pédagogue responsable des apprentissages. Le volume occupé par l'eau de la nappe (à gauche) doit sans cesse être ramené au volume de l'aquifère qui la contient (à droite). PUBLICATIONS - FISCHER J.-P. et HAGUENAUER C , 1985. - Informatique appliquée au Génie civil : détermination des potentiels hydrauliques et du débit de fuite sous barrage, rabattement d'une nappe autour d'un puits. - Rapport C.F.I.A.P. NANCY. - HAGUENAUER C , 1991. - Comprendre par les cycles et les cycles pour apprendre. Thèse de l'Université de N A N C Y I. - C.R.I. de Nancy-Metz : ROYNETTE C , B A L Y J.., BERCHE P., BOULANGER J.-Y., FAURE P., GÉRARDIN B., HAGUENAUER C , KLEIN S., LÉGER B., LESTAN S., SCHMIT J.-F., 1992. - Biologie-Géologie. Fiches-logiciels 3, C.R.D.P. de N A N C Y , Fenêtre active, Informatique pédagogique. - B A LY J., BERCHE P., BOULANGER J.-Y., DEMASSIEUX L., H A G U E N A U E R B., H A G U E N A U E R C. JANIN Bl., KLEIN S., MAZENOT P., 1991. - Les nappes d'eau : analyse d'exemples réels, modélisation et simulation de leur fonctionnement. L'informatique scientifique dans l'enseignement de la biologie et de la géologie au lycée. J.-C. D U V A L et N. SALAME (eds), Paris, INRP, 1991. BIBLIOGRAPHIE GÉNÉRALE - ANTOINE P. et FABRE D., 1980. - Géologie appliquée au génie civil. - Paris : Masson. - BODELLE J. et MARGAT J., 1980. - L'eau souterraine en France. - Paris : Masson. - CASTANY G. et BLAVOUX B., 1984. - Hydrogéologie. - Encyclopaedia Universalis, t. 8. - CASTANY G., 1982. - Principes et méthodes de l'hydrogéologie. - Paris : Dunod. - CHAUVE P., 1992. - Ressources en eau. - in Enseigner la géologie au collège et au lycée. Collection pratiques pédagogiques.- Paris : Nathan. - ERHARD-CASSEGRAIN A. et MARGAT J., 1983. - Introduction à l'économie générale de l'eau. - Paris : Masson. - GOGUEL J., 1967. - Application de la géologie aux travaux de l'ingénieur. - Paris : Masson. - LABESSE B., 1985. - La géologie au service des Hommes. - Société géologique de France. Entretiens de Saint-Cloud. -LETOURNEUR J. et MICHEL R., 1971. - Géologie du génie civil. - Paris : Colin. - MARSILY G. de, 1981. - Hydrogéologie quantitative. - Paris : Masson. - MARTY M., 1984. - Barrages. - Encyclopaedia Universalis, t. 3. - SOCIÉTÉ GÉOLOGIQUE DE FRANCE, 1990. - Les fondations des grands ouvrages, mémoire n° 157. - TARDY (Y.), 1987. - Le cycle de l'eau. - Paris : Masson. BIBLIOGRAPHIE SPÉCIALISÉE - BOULY S. et DEMASSIEUX L., 1981. - Pollution de la nappe alluviale de la Moselle à Loisy (54). - BOURGIN A., 1955. - Cours de calcul de barrages. - Paris : Eyrolles. - Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, 1982. - Reconnaissance géologique et géotechnique des tracés de routes et d'autoroutes. Note d'information technique. - Ministère de l'urbanisme et du logement - Ministère des transports. - GISCLARD G. - De quelques modèles analogiques à des mesures d'hydrogéologie sur le terrain. - Thionville : à paraître. - RAMON S. et PETITJEAN E., 1984. - Hydrocarbures et eaux souterraines, la lutte contre les pollutions accidentelles. - Agence de Bassin Rhin-Meuse. - THONON P., 1992. - Géologie et grands travaux. - dans Enseigner la géologie au collège et au lycée. - Collection pratiques pédagogiques. - Paris : Nathan. - VARLET H., 1966. - Barrages-réservoirs. - Paris : Eyrolles. LA GESTION DES RESSOURCES EN EAU Approche à partir des données et des logiciels généraux J.M. Coulais, J. Coutable, P. Giraudeau, J J . Bernard L'équipe est redevable pour leur concours aux organismes suivants : - Agence de Bassin Loire-Bretagne, Orléans - Bureau de Recherche Géologiques et Minière, Poitiers - Service Régional d'Aménagement des Eaux des Deux-Sèvres, Poitiers - Direction Départementale de l'Agriculture des Deux-Sèvres, Niort - Direction Départementale de l'Action Sanitaire et Sociale des Deux-Sèvres, Poitiers, - Stations de la Météorologie Nationale de Poitiers-Biart et Niort a 142 Pê e L A G E S T I O N D E S R E S S O U R C E S EN E A U A p p r o c h e à p a r t i r des d o n n é e s et des logiciels g é n é r a u x 143 J J. Bernard, J . M . Coulais, J. Coutable, P. Giraudeau I. L'APPROCHE D U PROBLEME 143 A. Les types de logiciels disponibles B. Les données à recueillir C. Les documents d'appuis D. Les orientations de travail II. LES BESOINS ET USAGES DE L'EAU 144 145 146 146 148 A. Thème d'étude : alimentation en eau potable, organisation des unités de distribution. 1. Objectifs pédagogiques 2. Collecte et saisie des informations 3. Traitement de l'information III. LES FLUX D'EAU ET LEUR GESTION A. Objectifs pédagogiques communs aux différents thèmes d'étude 1. Problèmes à étudier 2. Savoirs 3. Savoir-faire B. Collecte et saisie des informations 1. Organismes compétents C. Les Thèmes d'étude 1. Thème : mise en évidence d'un flux et de ses variations a. Exemple d'acquisition et d'utilisation de données expérimentales b. Travail à partir de fichiers de données professionnelles 2. Thème : la gestion des flux d'eau IV. L'EAU ET LES FLUX DE MATIERE A. Objectifs pédagogiques communs, aux différents thèmes d'étude 1. Problèmes à étudier 2. Savoirs B. La collecte des informations 1. Les paramètres de qualité 2. Organismes compétents C. Le traitement des informations 1. Les données 2. Les logiciels D. Les thèmes d'étude 1. Thème : étude des normes de potabilité à partir des fichiers de qualité 2. Thème : Qualité d'une eau et répartition géographique : la cartographie 3. Thème : Qualité et potabilité d'une eau 4. Thème : Corrélations entre paramètres de qualité des eaux 148 148 148 150 154 154 154 154 154 155 155 155 157 157 159 162 164 164 164 164 164 164 165 166 166 167 167 167 169 176 178 IV - CONCLUSIONS 180 ANNEXES 183 LA GESTION DES RESSOURCES EN EAU Approche à partir des données et des logiciels généraux I. L ' A P P R O C H E D U P R O B L E M E La gestion des ressources en eau par l'homme, dont le but principal est d'augmenter la production de biomasse, est une question en pleine évolution. L'approche de cette gestion à partir de données peut s'appuyer sur diverses informations descriptives concernant la qualité et la quantité ; elle peut également concerner les aspects dynamiques : existence d'un flux d'eau de matières transportées. L'étude qualitative concerne les phénomènes physico-chimiques, biologiques, microbiologiques et biochimiques : la composition en substances minérales dissoutes, la teneur en gaz dissous (O2 et C 0 surtout), les indices biotiques, les phénomènes de pollution et leurs conséquences sur la production et la potabilité des eaux, la production primaire et la vie animale. 2 L'étude quantitative repose sur la mesure des quantités d'eau stockée dans les différents compartiments et sur l'évaluation des flux d'eau au niveau du bassin versant : les entrées (pluviométrie), le stockage (piézomètrie), les sorties (débits, ETP). Le thème de l'eau n'étant abordé que depuis peu dans les lycées et les collèges, le passé expérimental n'existe pas. Le renouvellement des activités expérimentales dans ce domaine sera plutôt une création. La contribution de l'informatique à ce renouvellement est évidente dans la gestion quantitative : elle rend possible le traitement des très nombreuses données disponibles, de plus en plus fournies par des stations automatiques de mesure. Son emploi est moins net dans l'étude du problème de la qualité où elle permet néanmoins de traiter des informations obtenues par des pratiques conventionnelles : analyses chimiques, microbiologiques, examen de cartes. L'emploi de sondes permet la mesure en continu de plusieurs paramètres : température, pH, conductimétrie, teneur en dioxygène ; mais le dosage du CO2, reste problématique en l'absence de sondes adaptées. Quand on approche les milieux professionnels compétents dans le domaine de la gestion de l'eau, on s'aperçoit que ce sujet n'est pas abordé de la même manière par tous ceux qui y travaillent : la gestion quantitative de l'eau en est à ses débuts, les approximations sont encore énormes. La gestion quantitative des ressources ne s'est pas encore posée partout de manière cruciale. En Poitou-Charentes, par exemple, le problème lié aux prélèvements en eau pour l'irrigation des cultures de maïs grain et de tournesol pendant la période d'étiage a créé la nécessité de mieux maîtriser les données quantitatives. Cependant, la recherche de ces informations montre que : - des lacunes importantes existent dans les relevés des données pour certains bassins ; la pose de piézomètres permettant des relevés automatiques de données y est récente, - les bilans établis utilisent des valeurs décadaires, voire mensuelles pour certaines données (météo), et des valeurs journalières pour d'autres (débits). Certains paramètres ne sont pas bien connus, et fixés par convention (le ruissellement à 50%, par exemple), - les données sont souvent traitées manuellement ; l'emploi de l'outil informatique étant en cours de développement, son apport pour la gestion des ressources en eau n'est donc pas encore bien connu, - les bilans effectués varient selon les organismes et les bassins. Ils étaient limités les années précédentes à une évaluation des entrées et des sorties du système, sans véritable calcul du stockage, car les paramètres ne sont pas entièrement maîtrisés (en particulier la transmissivité dans les systèmes aquifères). En fait, la gestion des ressources en eau d'un bassin repose sur la connaissance empirique du terrain par les hydrogéologues qui sont capables d'évaluer les conséquences d'un prélèvement sur le stockage pour les terrains qu'ils connaissent. Cela amène à conclure que aucune méthode reposant sur une maîtrise des paramètres n'a de valeur universelle, ce qui rend difficile une comparaison entre différents systèmes. Pour les professionnels en PoitouCharentes, gérer une nappe, c'est la gérer en Juillet et Août. L'eau pompée pour l'irrigation sort du système, alors que l'eau pompée pour l'alimentation en eau potable y retourne aux 3/4. La gestion de l'eau revient donc à gérer l'eau pour l'agriculture. A. Les types de logiciels disponibles Quand on s'intéresse aux logiciels utilisés dans les milieux professionnels, on constate l'existence de ressources non négligeables que l'on peut répartir en trois catégories. - La première est constituée par les logiciels très spécialisés, répondant à des objectifs techniques propres à chaque organisme. D'une convivialité inégale, ils s'adressent à des spécialistes connaissant bien l'outil, et désireux d'obtenir une production bien ciblée. Le Bureau de Recherches Géologiques et Minières ( B R G M ) , par exemple, possède un "Département Eau" qui a développé plusieurs logiciels de ce type (cf. annexe 1). Il s'agit généralement de logiciels assez complets et lourds ; certains seraient utilisables dans l'enseignement moyennant un transfert ardu. -La deuxième catégorie comprend les logiciels offrant des fonctionnalités nouvelles, comme la création de courbes d'isovaleur et leur représentation en 2D et 3D (Descartes Modélisation, Surfer, Excel), et la représentation cartographique (Cartes et Bases sur PC, Carto 2D sur Mac). - La troisième correspond aux applications présentant des fonctionnalités équivalentes à celles des logiciels disponibles pour micro ordinateurs : les gestionnaires de fichiers (Dbase, File Maker Pro, etc.), et les tableursgrapheurs (Excel, en particulier). Ces logiciels généraux sont maintenant disponibles en grand nombre pour les établissement scolaires (cf. annexe 1). B. Les données à recueillir Dans certains cas, les données hydrogéologiques peuvent être recueillies localement par les élèves : les données météorologiques peuvent être acquises avec une station météo portable installée à proximité de l'établissement ; les données piézométriques mesurées dans un puits proche ; le débit d'un cours d'eau suivi à l'aide d'un débit-mètre assez simple à réaliser (ces informations sont évidemment plus faciles à collecter en zone rurales). Les prélèvements et analyses bactériologiques ainsi que les dosages qui correspondent aux mesures de qualité (température, pH, conductivité, O2 dissout, nitrates, tH, etc.), sont réalisés classiquement en TP avec divers instruments ; des enquêtes peuvent être réalisées auprès des élèves sur la consommation d'eau, par exemple ; les échantillons d'eaux commercialisées en bouteilles sont accessibles à tous. Les données recueillies seront en général de faible volume et se prêteront aussi bien à une analyse manuelle ou à un traitement informatique. D'autres données peuvent être acquises auprès des organismes gestionnaires suivant leurs domaines de compétence. Plus fiables et plus représentatives des situations régionales et nationales, ces données quantitatives et qualitatives seront généralement importantes en volume. Depuis quelques années, leur informatisation est devenue systématique, mais toutes les données historiques ne sont pas encore resaisies sur des supports magnétiques. La plupart de ces données sont accessibles au public (elles sont de fait confidentielles dans certains cas). 1. Le B R G M dispose d'une banque de données géologiques importante, qui contient 260000 fiches d'identification portant sur les forages, puits, etc. effectués en métropole et Départements d'Outre Mer, depuis le 18° siècle. A chaque fiche correspond un dossier de données. La banque comporte des procédures de tri qui permettent d'obtenir rapidement les références des dossiers recherchés. GEOBANQUE, 2. Les services de la Météorologie nationale, par exemple, fournissent les données climatiques journalières sur support informatique (fichier A S C I I ) depuis 1949, pour 20 paramètres et pour 160 stations. Cela représente une source de données très intéressante car complète, le seul inconvénient est le prix (13 Francs le paramètre/ an/ station). 3. Les agences de l'eau ont rassemblé et mis sur support informatique des données provenant des différents organismes travaillant sur la gestion des ressources en eau. Les données disponibles concernent la qualité et la quantité des eaux superficielles, et la qualité des eaux souterraines. L'ensemble de ces données sont manipulables sans problèmes majeurs avec les logiciels généraux dont on dispose maintenant. C. Les d o c u m e n t s d'appuis Ils sont nombreux et contribuent à bien cadrer les problèmes posés et les relier à des réalités concrètes : - les cartes géologiques, hydrologiques, les images de télédétection, - les normes et directives de qualité nationales et européennes, documents de référence de l'OMS, etc., - les synthèses nationales et régionales périodiques : l'Etat de l'Environnement, par exemple, - les thèmes fournis par l'actualité qui donnent lieu à documents de presse ainsi qu'à des articles dans les revues scientifiques (numéro spécial de La Recherche sur l'eau, par exemple). D. Les orientations de travail A l'aide de l'ensemble de ces instruments et documents, il est possible d'utiliser l'informatique de manière intégrée au déroulement normal de l'enseignement, en respectant à la fois les contenus et l'esprit des programmes actuellement enseignés dans les lycées. Bien entendu, l'utilisation de ces aides est nécessaire pour la résolution de problèmes biologiques et géologiques et ne constitue pas une fin en soi. L'élève comme l'enseignant doit, dans un premier temps, se familiariser avec les outils pour en explorer les fonctionnalités et en apprendre les modes opératoires avant d'être capable de s'en servir efficacement. Cet objectif ne peut pas être atteint si le nombre des logiciels à manipuler est important. Ceci nous a incités à baser les activités proposées sur un nombre limité de logiciels (un intégré, un cartographeur, un logiciel de représentation graphique en 3D).qu'il est souhaitable de trouver réunis dans un seul, ce qui paraît devoir se réaliser à court terme. Il est indispensable également de disposer d'un logiciel ayant des fonctions simples de traitement statistique : c'est l'outil du professeur pour réaliser une étude plus fine des corrélations entre facteurs, mais les fonctions utiles peuvent également être trouvées dans certains logiciels généraux (comme Excel). Ces logiciels ne sont pas spécifiques de l'hydrogéologie ; tous les élèves auront probablement à les maîtriser parce qu'ils serviront dans les diverses disciplines. Il convient de prendre en considération plutôt les fonctions que les noms des logiciels cités dans la mesure où ceux-ci évoluerons ou seront remplacés par d'autres au cours des prochaines années. Notre approche repose sur des exemples locaux. Ainsi, Les données météo que nous utilisons concernent la station de Poitiers pour les années 1974-1987 et ont été acquises auprès de la Météorologie Nationale ; pour la même période, les données hydrogéologiques concernant les qualité et quantité des eaux superficielles, la qualité des eaux souterraines, nous ont été fournies gracieusement par l'Agence de l'eau Loire-Bretagne. Mais s'attarder sur des particularismes régionaux serait réducteur. Aussi, il est souhaitable que chacun puisse disposer d'instruments similaires à ceux qui nous ont servi pour traiter les données qui lui paraissent les plus adaptées à sa région, où le problème de l'eau peut se poser avec une acuité ou en des termes différents. En nous référant aux utilisations que nous avons testées, les thèmes de travail avec les élèves sont répartis dans trois dossiers qui correspondent à des interrogations majeures : - les besoins et usages de l'eau, - les flux d'eau et leur gestion, - l'eau et les flux de matière. Nous avons essayé de mettre systématiquement en évidence les sources auxquelles on peut s'adresser pour obtenir des données régionalement pertinentes. II. L E S B E S O I N S E T U S A G E S D E L'EAU A. Thème d'étude : alimentation en eau potable, organisation des unités de distribution. 1. Objectifs pédagogiques Ce thème introductif permet d'une part, de cerner les caractéristiques de la région, et d'autre part d'initier les élèves aux logiciels nécessaires. a - Problèmes à étudier : - Quels sont les différents besoins et usages de l'eau ? - Où est localisée la ressource ? - Quelles sont les conséquences en termes de qualité et de volumes ? - Quels sont les problèmes et leurs solutions ? b - Savoirs : - Définir : alimentation en eau potable (AEP), aquifère, nappe phréatique, nappe captive, source. - Nommer : les différents usages de l'eau, les besoins en eau, les principaux problèmes locaux liés à l'eau, les principales localisations des ressources en eau. - Décrire : le devenir des eaux de pluies connaissant les propriétés des roches du sous-sol. c - Savoir faire : - Extraire les informations significatives d'un texte. - Repérer les paramètres d'un problème. - Collecter des données. - Etudier quelques variables descriptives d'une série de données. - Formuler un problème. 2. Collecte et saisie des informations a - Organismes compétents : La diversité des besoins et des usages de l'eau, ainsi que la localisation de la ressource font intervenir des organismes publics, sous la tutelle de plusieurs ministères, et des entreprises privées. - Les Directions Régionales des Affaires Sanitaires et Sociales (DRASS) et les Directions Départementales des Affaires Sanitaires et Sociales ( D D A S S ) sont chargées du contrôle sanitaire des eaux destinées à l'alimentation en eau potable, ainsi que du contrôle des traitements des eaux usées. Elles dépendent du Ministère de la santé. - Les Directions Départementales de l'Equipement (DDE) sont chargées de la gestion des ressources en eau en milieu urbain, et de la gestion de l'eau des rivières domaniales jusqu'à une profondeur de 40 mètres. Leurs compétences sont parfois déléguées aux services techniques de la ville. Elles dépendent du ministère de l'Equipement. - Les Directions Départementales de l'Agriculture (DDA) et leurs Services Régionaux d'Aménagement des Eaux (SRAE) sont chargés de la gestion des ressources en eau en zone rurale, jusqu'à une profondeur de 40 mètres. Elles dépendent du Ministère de l'Agriculture. - Le B R G M est compétent pour les ressources en eau situées à une profondeur supérieure à 40 mètres. Il dépend du Ministère de l'Industrie. - Les services techniques de la ville sont chargés de l'approvisionnement en eau de la cité, des contrôles de qualité des ressources, des traitements à effectuer. Ils ont obligation d'informer le public (Journal Officiel de 1979). - Les syndicats communaux et intercommunaux sont chargés de l'approvisionnement en eau des communes, ainsi que des contrôles de qualité et des traitements. - Les organismes privés peuvent être chargés de la distribution de l'eau. - Les Agences de Bassin sont des organismes financiers qui agissent par le biais de subventions et de pénalités. Ils définissent une politique de l'eau, constituent des banques de données, effectuent des traitements statistiques. b - Données : Carte numérisée montrant les unités de distribution ; fichier de qualité (cf. IV). La distribution de l'eau destinée à l'alimentation en eau potable fait intervenir les captages, les communes et les unités de distribution. Le captage est le lieu où la ressource est prélevée, c'est un puits, un forage, un lac, une retenue de barrage. Ce captage alimente les habitants d'une zone géographique : c'est l'unité de distribution ( U . D . ) , la qualité de l'eau y est homogène. Une commune peut être une U.D., ou appartenir à des U.D. différentes. Des aménagements sont effectués pour la distribution, prenant en compte le volume de la ressource et sa qualité ce qui rend le schéma précédent un peu simpliste. Une U.D. peut-être liée à plusieurs captages, soit pour des questions de débits propres à chacun, soit pour effectuer des mélanges d'eau, quand un ou plusieurs paramètres dépassent la norme. C'est le cas des nitrates : l'eau d'un captage pauvre en nitrates est utilisée pour diluer l'eau du captage principal excédentaire en ces ions. Les U.D sont de petites taille quand il existe une ressource locale, l'U.D. étant souvent confondue dans ce cas avec la commune. Ce schéma tend à disparaître dés lors que des mélanges d'eau deviennent nécessaires : L'U.D. est étendue à plusieurs captages, et regroupe plusieurs communes. Les U.D. sont de grande taille quand la ressource locale est inexistante ou insuffisante. Plusieurs communes sont alimentées par un même captage, l'eau est importée. c - Logiciels : - un cartographeur, - un gestionnaire de fichiers, - un tableur-grapheur. Le principe de la cartographie est le suivant : un lien est établi entre un captage, donc une analyse d'eau, et une unité de distribution définie sur la carte. Selon la valeur du paramètre, la surface représentant l'U.D. prend une teinte foncée quand la valeur est élevée, une teinte claire quand la valeur est faible. Chaque U . D . doit être liée à une analyse d'eau. Si l'une d'elles est absente, l'U.D. restera blanche. Les données numériques sont importées du fichier de qualité. Les informations utiles à la résolution d'un problème par les élèves seront placées dans la feuille de calcul du tableur. 3. Traitement de l'information On dispose de beaucoup d'informations : données concernant l'origine de l'eau : eau souterraine ou eau superficielle, eau importée ou captée sur place, nature géologique de l'aquifère pour les eaux souterraines, du sous-sol pour les eaux superficielles. Il faudra choisir les classes de paramètres à représenter : ici, chaque paramètre constitue une classe (cf. annexe 2). Les cartes obtenues traduisent par des trames ou des gris les classes définies dans le traitement. Les constats porteront sur les comparaisons des cartes obtenues, ils déboucheront sur la formulation d'hypothèses explicatives intégrant les connaissances locales du terrain. Les figures 1, 2, et 3, montrent un exemple de résultats et de conclusions établis dans les Deux-Sèvres. Fig. 1.- Origine de Veau distribuée pour l'alimentation en eau potable. Les deux grandes unités de distribution du Nord du département des Deux-Sèvres utilisent de l'eau superficielle captée dans deux lacs artificiels. y y * J Ntaléon ^ L o s A u b y-y. ^ i Thouars \ • ^ \Petit£ Boissière Taizé • > > J^jSt Jouiri / • de Manies yAvaillës " / Lac du Cébron X : / La Chapelte St Laurent \ ' \ Le Caillou • : ^ AutSïgrié/— \ " / Thenez^y V A • u_% w <y \ La^Peyrçite UTPçyraite : y/ Parthenày--" " )^*v> \...^\ •i . A \ Lac de Mcrvcnt r""'^p^ouxi / N Coulongeï 0 , X ™ .•^^-v St/ompain - //) N St Hilaire la Palltidi , • Le ^ e , ? /"> . c-w^ \ Chatrfây/ : ^ ° f ^ ^ M M e C \> S St Etienne, x *av leBrulé ; u Pampt-oux • . ^ - x b J l l e s Fressines : ' - \ St Komany Rdmany •• St •,>'st GénarcL,^. ' j x f>, .; •A)y/m TniouV • ° •••Vemoux _ ; < " \ • ....Jcîiizé \ w A : A? /X "-Ca Crèche' • La Fo>e^-^-^ okr ^nrjouHi,6eauVo.r ^nfjoulta .Beauvoir /^Reffanes^ : y y~'^ ^ ^.Clussais " / La Ferrière • i \ .y* y' • \• C^ay r "f \ ^ SauzÔVaussais la C i g o g n e - ^ V < . ^ ^ l o •u--'\Goujnay ^ ^ ^ - . ., -Chef BouWhe , :y"' . • ; V i l l i e r s ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ 6 v / Lorgné Crèxjères/ yy\.. Couturé •../ d'Argens"ôn { Fig. 2.- Localisation des unités de distribution de l'eau destinée à l'alimentation en eau potable dans les Deux-Sèvres. Les U.D. sont nombreuses dans le Sud et le Nord-Est du département. L'eau est captée dans les nappes acquifères. Les deux U.D. du Nord-Ouest correspondent aux communes à soussol imperméable, alimentées par des retenues collinaires. Fig. 3.- Nature de Vacquifère pour les eaux souterraines ou du sous-sol pour les eaux superficielles. Les grandes U.D. correspondent aux terrains primaires imperméables et la ressource en eau n'y est pas abondante. Les U.D. du Sud et du Nord-Est sont sur des terrains calcaires, perméables, la ressource en eau est constituée par les nappes aquifères. III. L E S F L U X D ' E A U E T L E U R G E S T I O N f A. Objectifs pédagogiques communs aux différents thèmes d étude 1. Problèmes à étudier - Que deviennent les eaux de pluie ? - Quelles sont les différentes sorties de l'eau ? - Quelle est l'origine de l'eau évacuée par les rivières ? - Où sont situées les réserves d'eau ? - Peut-on évaluer le volume d'eau stocké ? - Est-il possible de gérer les flux d'eau ? - Quelles sont les périodes de stockage d'eau dans les nappes ? 2. Savoirs - Mise en évidence d'un flux, et du fonctionnement du système étudié (aquifère, ruissellement...). - Mise en évidence des variations de ce flux dans le temps : - variation du débit, décharge d'une nappe, - identification d'un décalage entre les variations de débits et celles de la pluviométrie, - mise en évidence d'une différence entre la cause et l'effet en fonction des saisons (période hivernale et période estivale), - notion de période de recharge d'une nappe. 3. Savoir-faire L'élève doit résoudre un problème posé à l'aide d'informations brutes (données météo, débits et niveaux piézométrique). Les savoir-faire mis en oeuvre s'appliquent à tout travail de recherche : - Faire des choix : identifier les éléments du problème, définir une stratégie de recherche, choisir les paramètres à utiliser, la période à explorer. - Acquérir des données (pour une étude utilisant des données expérimentales) : définir la zone à étudier, effectuer des mesures, saisir les données et constituer un fichier informatique. - Mettre en relation les paramètres : choisir un mode de représentation approprié et produire les documents utiles. - Conclure : dégager des faits nouveaux, fournir des hypothèses explicatives, définir les informations supplémentaires nécessaires pour tester les hypothèses avancées. Pour répondre au problème posé, l'élève peut disposer : - de la banque de données contenant le ou les fichiers complets. Cela conduit à développer toute la recherche, - des feuilles de calcul (de type tableur) contenant les données (utiles et inutiles) pour l'étude du problème pour une période déterminée, - des feuilles de calcul contenant les données nécessaires à l'étude du problème, et d'une stratégie de recherche, - des feuilles de calcul contenant les données nécessaires à l'étude du problème, d'une stratégie de recherche et des modes de représentation appropriés (type de graphique, carte, calculs, statistiques, etc.). Ces niveaux de difficulté peuvent constituer une graduation dans l'apprentissage des différents savoir-faire, ou permettre la mise en oeuvre d'une pédagogie différenciée en fonction des acquis méthodologiques de chacun des élèves. B. Collecte et saisie des informations 1. Organismes compétents a. Données concernant les débits : Les débits journaliers sont mesurés au niveau d'une station de jaugeage, gérée par différents organismes. La plupart de ces stations sont gérées par le Service Régional d'Aménagement des Eaux ( S R A E ) , d'autres le sont par le Service Hydrogéologique Centralisateur (SHC). D'autres services peuvent être concernés selon les régions. Les Agences de Bassin collectent toutes les données concernant les débits, qui constituent une banque informatisée. La répartition des stations de jaugeage est variable d'une région à l'autre, certaines sont en cours d'aménagement, d'autres ne sont plus en service. Les données concernant les débits sont donc parfois incomplètes. Un travail de décompactage et d'organisation des données est nécessaire (cf. annexe 3). b. Données piézométriques : Ce sont les D D A qui sont chargées d'effectuer les relevés concernant le niveau des nappes. Plusieurs piézomètres sont suivis quotidiennement. Cependant, les données ne sont disponibles le plus souvent que sur support papier. Des projets sont en cours concernant la mise en place de piézomètres accumulant les données dans une mémoire dont le contenu serait ensuite récupéré par un ordinateur. c. Données météorologiques : La météorologie nationale fournit des fichiers sur support magnétique, pour chacune des 160 stations de la métropole depuis 1949. Vingt paramètres sont disponibles : - températures extrêmes : mini et maxi - précipitations : hauteur et durée de jour, de nuit, totale, - insolations : durée le matin, le soir, totale, - vent : force et direction des vents maxi instantanés et moyennes, - humidité extrêmes : mini et maxi, - évaporation piche, - calcul des degrés jour, - ETP. Les stations météorologiques locales fournissent des données sur support papier ou sur support magnétique. Un travail de décompactage et d'organisation de ces fichier est nécessaire pour en améliorer la lisibilité avant de pouvoir les utiliser. Les données climatiques concernent des relevés journaliers, sauf pour l'ETP donnée mensuellement. Les paramètres les plus utiles pour l'étude sont : - les débits journaliers en m3/sec, m3/jour/km2, en mm - la pluviométrie en mm, en m3/jour/km2. - l'ETP mensuelle en mm. 2. Logiciels Un gestionnaire de fichiers si l'information est fournie sur support magnétique ; un tableur grapheur qui permet de saisir les informations contenues sur support papier ou de récupérer les données triées dans le gestionnaire de fichiers, de réaliser les opérations de calcul et la représentation graphiques. C. Les T h è m e s d ' é t u d e 1. Thème : mise en évidence d'un flux et de ses variations a. Exemple d'acquisition et d'utilisation de données expérimentales Le problème posé au départ repose sur le fonctionnement d'un système, caractérisé par des entrées (pluviométrie), des sorties (débits, ETP, pompages) et du stockage (fissures, aquifère). Les paramètres pris en compte dans cette étude concernent la pluviométrie et la hauteur de la nappe. Leur mise en relation doit permettre d'étudier les flux d'eau dans un système absorbant. - Données locales : Mesures quotidiennes de la pluviométrie, mesures quotidiennes du niveau du toit de la nappe dans un puits ; choisir un site de mesures dans les environs de l'établissement ou bien chez un élève ou enseignant dont le domicile se trouve situé sur le bassin versant étudié. Il y a lieu de bien identifier les sites de prélèvements pouvant exister sur ce bassin. Le niveau d'eau dans un puits est mesuré à l'aide d'un détecteur ou d'un autre moyen ; le pluviomètre est installé à proximité du puits à un mètre de hauteur, et dans un lieu sans arbre dans un périmètre de quelques mètres. L'exploration d'une période dont la durée sera comprise entre 400 et 800 jours, ce qui correspond à un cycle minimum, est indispensable. L'acquisition de données locales pose le problème de l'incertitude de la mesure et de la validité des relevés aux erreurs près (possibles dans le cas de nombreux expérimentateurs). L'exploitation des données devra tenir compte de ces erreurs. La démarche est conventionnelle : choisir un mode de représentation, mettre en relation les données, etc. - Résultats : Les graphiques créés montreront les variations de niveau de la nappe et celles de la pluviométrie. Les hypothèses explicatives seront basées sur la recherche de causalités s'appuyant sur les constats établis et destinées à décrire le fonctionnement du système. Des documents peuvent compléter les résultats et contribuer à une meilleure interprétation : - sorties du système : ETP, débit de rivière, pompage, pratiques culturales, - paramètres climatiques : température, ensoleillement, vent, etc., - pratiques industrielles, - données géologiques : propriétés physico-chimiques du sol. La figure 4 montre un exemple de résultats et de conclusions concernant une nappe du bassin de l'Auxances (86). Û 7 7 7 I I I I I I 3 I 3 < < < 3 1 J - , - ? - I 7 7 7 < < < B B | ) ) O O O Z Z Z Û Û Û ' n Evou l to i n modèsilée n n n m t Evolution réele Janvier Fig. 4.- Evolution de l'eau dans un puits de fin décembre 1990 à début janvier 1992 . Graphique du haut : données de pluviométrie et de niveau de l'eau réellement mesurées. Graphique du bas : mise en place d'un modèle. L'évolution du niveau d'eau théorique dans le puits traduit bien le changement du fonctionnement du système à partir de la mi-avril. Le système fonctionne en stockage avant cette date, il déstocke après. b. Travail à partir de fichiers de données professionnelles - Choix du lieu : La mise en relation de paramètres climatiques et de débits (et piézométriques) impose de choisir un bassin versant bien délimité, ayant peu de communications avec les bassins limitrophes, comprenant une station météorologique et une station de jaugeage (une station piézométrique si les données sont significatives de l'état de la nappe du bassin avant la station de jaugeage). Des informations relatives à la géologie, aux pratiques agricoles et industrielles, aux aménagements effectués (barrages, stations de pompage) seront collectées pour maîtriser les entrées et les sorties du système étudié. La comparaison de deux bassins versants permettrait de généraliser et relativiser les observations précédentes, d'identifier les constantes et les variables de fonctionnement. Une schématisation du fonctionnement d'un bassin versant peut être envisagée. - Données : débits, météorologiques, piézométriques. Il faut disposer de données journalières pour observer les variations significatives, dont la durée varie entre 24 et 48 heures (et parfois moins de 24 heures). Comme dans le cas précédent, il est indispensable d'explorer une période dont la durée sera comprise entre 400 et 800 jours. Plusieurs périodes de cette durée peuvent être extraites des fichiers. Leur utilisation est double : - chaque groupe d'élèves peut travailler sur une période particulière. La synthèse des résultats permettra de tester le domaine de validité des conclusions, - un groupe d'élèves pourra tester ses hypothèses en les éprouvant sur d'autres périodes. - Traitements : Le choix d'une unité commune est indispensable pour faire une étude comparative entre les entrées et les sorties d'un système, et entre différents systèmes. Les hydrogéologues utilisent des litres/seconde/km2. Les débits exprimés en m3/seconde, les précipitations et l'ETP exprimés en mm seront convertis avant d'être utilisés. - Résultats : Les graphiques créés montreront les variations de débit et de pluviométrie. Des graphiques complémentaires, utiles pour la résolution du problème, présenteront l'ETP, et les variations de hauteur de la nappe si elle existe. Les comparaisons entre les entrées et les sorties que traduisent les débits, et l'ETP permettront d'établir les constats. Les figures 5, 6, et 7, montrent les résultats obtenus et les conclusions dégagées pour la Sèvre Niortaise (79). Débits et Pluviométrie en m3/Jour/Km2 6(K)(K)-i Fig. 5.- Variation comparée des débits de la Sèvre Niortaise et de la pluviométrie, exprimés en m '/jour/km . Du 15 octobre au 15 mars, un épisode pluvieux est suivi, 36 à 48 heures après, par une augmentation du débit. Après le 15 mars, les précipitations ne provoquent qu 'une augmentation faible voire nulle du débit. La Sèvre représente le comportement d'une rivière en système absorbant. 3 2 mm d'eau 300 T Fig. 6.- Evolution annuelle de la pluviométrie et de l'ETP en mm. La période estivale est caractérisée par une pluviométrie faible et par une forte évapotranspiration potentielle. Pendant cette période, les sorties sous forme d'ETP sont supérieures aux précipitations. Fig. 7.- Schéma du fonctionnement du bassin de la Sèvre Niotaise à partir des données des figures 5 et 6. C'est un phénomène cyclique constitué de deux phases distinctes '.pendant la période hivernale il y a reconstitution des stocks dans les nappes et le flux implique sol et sous-sol. Pendant la période estivale, les nappes d'eau alimentent les rivières, l'importance de l'ETP limite le flux d'eau au sol et à l'atmosphère. 2. Thème : la gestion des flux d'eau Après la mise en évidence de la nature du système et de sa dynamique, le problème posé ici porte sur les bilans. Peut-on évaluer le volume des entrées et des sorties d'eau ? Peut-on avoir une estimation du volume d'eau stocké dans l'aquifère ? La gestion des ressources en eau en est à ses débuts. Les organismes chargés de ces bilans font des approximations importantes (un bilan est estimé équilibré avec une différence de 30% entre les entrées et les sorties). En fait, la gestion des ressources en eau repose actuellement sur la connaissance empirique du terrain par les hydrogéologues. La prudence dans ce domaine s'impose, les conclusions dégagées poseront davantage de problèmes qu'elles n'en résoudront. - Traitements : Les données et les outils sont ceux définis précédemment. Les valeurs concernant les débits, les précipitations et l'ETP sont exprimés en litres/sec/km2 ou m3/heure/km2. Un cumul de chaque donnée sera ensuite effectué : Cumul (J) = débit (J) + Cumul ( J - l ) . Ces cumuls concernent les opérations suivantes : Pluviométrie ETP ; Pluviométrie - (ETP+Débits). Les cumuls traduisent le volume d'eau qui entre et qui sort du système pendant la période considérée ; ils privilégient la tendance générale en atténuant les variations. - Résultats : Les graphiques représentent les courbes de Pluviométrie et de Pluviométrie(ETP+Débits). Les comparaisons entre l'état initial et l'état final du stock, ses variations au cours de l'année constitueront les premiers constats. Si la pluviométrie et les débits sont bien connus, leur mesure est précise, l'ETP en revanche est calculée. Cette valeur ne représente qu'une approximation. Les sorties du système prises en compte négligent les pompages en rivière ou dans la nappe, ainsi que les échanges possibles entre les bassin versants. Une bonne connaissance du terrain est donc nécessaire et doit guider le choix des bassins à étudier. Les figures 8 et 9 montrent un exemple de résultat et de conclusions concernant un bilan annuel et une évolution des stocks dans le bassin de la Sèvre Niortaise (79). ENTREES Pluviométrie ETPE3 Débits Nappes | Fig. 8.- Bilans annuels des entrées et des sorties d'eau, et estimation de l'état du stock pour le bassin versant de la Sèvre Niortaise en amont du pont de Ricou. Sèvre N i o r t a i s e kn^/jour/km 2 Cumul de pluviométrie Fig. 9.- Evolution du stock pour le bassin de la Sèvre Niortaise. C'est à la mi-février que se produit l'inversion de la tendance : avant, le stock augmente, après il diminue. L'état du stock est déficitaire par rapport à l'état pris comme référence fin 1987. L'une des données est approximative : l'ETP est calculée et non mesurée. Cependant, la différence observée est suffisamment importante pour penser que le bassin a perdu de l'eau. IV. L ' E A U E T L E S F L U X D E M A T I E R E f A. Objectifs pédagogiques communs aux différents thèmes d étude 1. Problèmes à étudier La qualité de l'eau est un sujet d'actualité abordé régulièrement par les médias. Posés en terme de pollution et de potabilité, les problèmes concernant la qualité des eaux sont variés : - Quels sont les paramètres qui décrivent la qualité d'une eau ? - Quelles sont les eaux soumises à une réglementation ? - Qu'est-ce qu'une eau potable ? - L'eau qui est distribuée dans telle commune est-elle potable ? - Qu'en est-il pour les autres communes de la région ? - Les eaux commercialisées en bouteilles sont-elles conformes aux normes de potabilité ? - Comment mesure t-on la qualité d'une eau ? - La qualité d'une eau varie-t-elle au cours de l'année ? - Quels sont les liens entre la qualité de l'eau et le milieu où elle est prélevée ? 2. Savoirs - Nommer les types de paramètres qui décrivent la qualité d'une eau. - Donner la valeur de la norme de qualité pour les paramètres vulnérables. - Nommer des paramètres influant sur la qualité de l'eau, les causes de pollution. - Relier la qualité de l'eau au cycle de la matière : origine des substances solubles et insolubles, nature et impact des activités humaines, rôle du dioxygène et des micro-organismes. B. La collecte des informations 1. Les paramètres de qualité La qualité de l'eau exprime sa potabilité : c'est la vocation première des analyses effectuées. Cette vision est cependant restrictive. Si les normes de qualité pour l'alimentation en eau potable (AEP) sont connues, celles concernant les eaux superficielles et les eaux usées le sont moins. Les résultats d'une analyse constituent aussi un bilan ponctuel des interrelations entre l'eau, solvant, et le ou les milieux traversés apportant les solutés. Les analyses physico-chimiques et bactériologiques traduisent l'origine de l'eau, son histoire, les pratiques humaines locales, etc. - L'eau potable : les normes de potabilité Les limites de qualité des eaux destinées à la consommation humaine concerne les paramètres organoleptiques, physico-chimiques et microbiologiques, des paramètres relatifs aux substances indésirables, toxiques, pesticides et produits apparentés. La norme française en vigueur repose sur la norme européenne. Si elle doit se conformer aux minima fixés, elle peut aggraver les limites pour certains paramètres. Le J.O du 4/01/1989 définit les limites, et plusieurs dispositions délimitant les compétences des organismes chargés de sa mise en application. Pour les eaux en vente dans le commerce, plusieurs dénominations sont utilisées : les eaux de source n'ont pas subi de traitement, et sont conformes à la norme européenne ; les eaux de table sont conformes aux normes mais après un traitement ; les eaux minérales dépassent les normes pour un ou plusieurs paramètres et devraient être qualifiées d'eaux médicinales. - Les eaux superficielles La qualité de ces eaux est définie par le type d'utilisation, la minéralisation et la qualité générale de l'eau. - Les eaux rejetées Une norme fixe la qualité minimale d'un rejet d'eau à dominante domestique. Néanmoins, elle n'est pas toujours mise en application. 2. Organismes compétents Ce sont avant tout la Direction Départementale des affaires sanitaires et sociales ( D D A S S ) ou la Direction Régionale des affaires sanitaires et sociales ( D R A S S ) chargées par voie réglementaire de la surveillance de la qualité des eaux destinées à la consommation humaine et les organismes chargés du prélèvement de l'eau destinée à 1' Alimentation en Eau Potable (AEP). D'autres analyses sont effectuées par le Service Régional d'Aménagement des Eaux (SRAE), les fédérations de pêche. La D D A S S (ou la D R A S S ) intervient pour la qualité de l'eau destinée à la consommation humaine et par extension aux animaux et à l'environnement. Ses attributions sont fixées par le Journal Officiel du 4 / 0 1 / 1989. Elle effectue les prélèvements et mesure la qualité de l'eau à tous les niveaux : ressources et distribution de l'eau potable ; avant et après traitement pour les eaux usées. Sur demande de services, elle fait un diagnostic et cherche les causes des dégradations. Elle est en liaison avec la D D A qui est chargée de la police des eaux, et collabore avec l'Agence de Bassin qui agit par l'intermédiaire de primes ou de pénalités. Les prélèvements et les analyses d'eau sont effectués par le laboratoire de la D D A S S . Il y a plusieurs types d'analyses : - Type 1 : analyse complète (coût : 2600 F en 1990) bactériologique, physico-chimique complète, et éléments indésirables (métaux, pesticides), - Type 2 : analyse physico-chimique simple et bactériologique, - Type 3 : analyse bactériologique seulement. La fréquence annuelle des analyses dépend de la population et de la vulnérabilité de la ressource : en milieu rural, avec une population inférieure à 1000 habitants : 2 "type 2" et 8 "type 3" ; pour une population de 50 000 habitants : 52 "type 2" et 208 "type 3". Les données sont souvent sur support papier. L'informatisation des DDASS est en cours. D'autres organismes travaillent sur la qualité : le SRAE effectue des analyses pour dresser une carte globale de la qualité des eaux superficielles. A partir de ce constat, il peut définir une politique d'aménagement. Le Conseil supérieur de la Pêche effectue les analyses sur demande des fédérations. Cet organisme collabore avec le S R A E . Les Agences de Bassin sont en relation étroite avec tous les organismes chargés de l'eau. Elles possèdent les résultats des analyses de qualité sur support informatique. Ces fichiers peuvent être fournis gracieusement ou facturés. C. Le t r a i t e m e n t des informations 1. Les données Le fichier de qualité représente la source principale de l'information, à partir de laquelle les analyses et les paramètres utiles seront sélectionnés, triés, exportés. Complétée tous les ans, l'information s'y accumule, elle est consultable par quiconque est à la recherche d'une information. Ce double aspect d'écriture et de consultation devra être défini en termes d'accès et de protection des données. Les fichiers informatisés doivent être préparés pour l'utilisation. Réaliser un fichier informatique à partir d'un fichier papier présente l'inconvénient de la saisie, mais cela ne concerne qu'un nombre réduit de fiches (une centaine par an). a. Choix des paramètres Le fichier contiendra les analyses de tous les captages de la zone géographique servant dans l'étude, sur une ou plusieurs années. Pour chaque captage, certains paramètres peuvent être qualifiés d'obligatoires. D'autres paramètres seront ajoutés à cette liste, en fonction de l'intérêt qu'ils représentent localement. b. Présentation du fichier Les fiches reprennent la classification utilisée par la D D A S S . D'autres modèles de présentations peuvent être établis. Des fiches ne montrant que certains paramètres offrent un accès simplifié à l'information, une présentation sous forme de liste se révèle utile pour visualiser tous les captages et les paramètres répondant à une requête. 2. Les logiciels - Un gestionnaire de fichiers, - un tableur-grapheur orienté statistique : seront en particulier utilisés les courbes, les nuages de points et le coefficient de corrélation, en coordonnées polaires, - un cartographeur : il permet de montrer la variation géographique d'un paramètre. Il utilise pour cela des données importées du fichier de qualité, et une carte numérisée des U.D. (déjà mentionnés dans le premier dossier). D. Les t h è m e s d ' é t u d e 1. Thème : étude des normes de potabilité à partir des fichiers de qualité Chaque fiche de qualité regroupe les résultats d'une analyse d'eau. La consultation du fichier se fait grâce à des requêtes permettant la recherche, le tri et le classement des fiches, ce qui doit permettre de répondre à quelques questions comme : - Quelle est la qualité de l'eau distribuée dans ma commune ? - Quelles sont les analyses qui, pour un paramètre donné, dépassent la norme ? a. Traitements Le nombre de fiches est généralement assez important (de 100 à plus de 1000), et pour chacune beaucoup de paramètres sont disponibles. La consultation du fichier ne peut pas se faire sans avoir défini au préalable la nature du problème à étudier. Deux domaines d'utilisation peuvent être dégagés : connaître la qualité de l'eau d'un captage et ses variations dans le temps, et connaître la qualité des eaux pour un paramètre donné (nitrates, microbiologie, etc.). - Résultats : La recherche fournit les fiches entières qui peuvent être imprimées. Si elle porte sur un paramètre, le résultat utilisera un modèle de présentation fournissant la liste des captages et leur descriptif correspondant à la requête. Les constats porteront sur les comparaisons des fiches obtenues avec les normes de qualité des eaux. La mise en relation des constats effectués et des connaissances locales du milieu pourra déboucher sur la formulation d'hypothèses explicatives ou de nouveaux problèmes. Les figures 10 et 11 montrent quelques exemples d'exploitation des fichiers concernant la qualité de l'eau dans les Deux-Sèvres. Commune MENIGOUTE MENIGOUTE MENIGOUTE MENIGOUTE MENIGOUTE MENIGOUTE MENIGOUTE MENIGOUTE MENIGOUTE MENIGOUTE MENIGOUTE MENIGOUTE MENIGOUTE MENIGOUTE MENIGOUTE MENIGOUTE MENIGOUTE Dénomination Les Héraudières Les Héraudières Les Héraudières Les Héraudières Les Héraudières Les Héraudières Les Héraudières Les Héraudières La Bourronnière La Bourronnière La Bourronnière La Bourronnière La Bourronnière La Bourronnière La Bourronnière La Bourronnière La Bourronnière Date 4/19 32 10/19 32 3 .'1983 12/19 33 5/19 34 11 /19 34 4/19 35 10/19835 4/19*32 10/19832 3/198 3 12/19853 4/198 4 5/19854 11/198 4 4/198 5 10/198 5 pH Cond 207 7, 1 260 207 6,8 6,6 245 6,9 246 5,3 205 7,4 284 6, 3 198 350 7,2 7 2 444 307 6,8 7,4 440 7, 1 393 369 7,1 6,7 270 271 6,6 7,5 503 6,7 N03 1", 1 19, 4 19 18, 3 19,2 22 , " 2^,3 19,6 3 0,1 37,2 29, 1 35,8 3 0,5 30,5 36, 1 24, 4 40,4 TH 8 13,2 10,4 9,6 14,8 10,3 12, 4 8 17,2 24,4 18 24,8 18,7 20,8 14 12,4 25 2 Bact totales 8 330 29 600 1 200 64 300 24 50 20 170 33 300 71 80 116 Fig. 10.- Analyses d'eau effectuées entre 1982 et 1985pour la commune de Ménigoute (79) (10 000 habitants). Le modèle de présentation montre la valeur de quelques paramètres de qualité. Cette commune est alimentée par deux captages, chacun faisant l'objet d'une analyse semestrielle par la DASS. Cconine AIFFRES AMURE AMURE LA-BATAILLE LA-BATAILLE BEAUVOIR BEAUVOIR LE-BOURDET LE-BOURDET BRIOUX BRIOUX LES-FOSSES COULON COULONGES COULONGES ECHIRE ECHIRE FORS FORS FORS FORS LA-FOYE-MOLA-FOYE-MOGRANZAY GRANZAY LUSSERAï LUSSERAY MAUZE MAUZE PAS-DE-JEU LA-PEYRATTE PRIN-DEYRPRIN-DEYRST-GELAIS STHILAIRE-LASTHILAIRE-LA ST-MAXIRE ST-MAXIRE ST-POMPAIN ST-POMPAIN Dénomination AIFFRES LA-GORRE LA-GORRE PUITS-NORD-BOURG PUITS-NORD-BOURG LA-GRAVETTE LA-GRAVETTE LA-JEANNERIE LA-JEANNERIE LA-FONZEE LA-FONZEE PRE-RIVIERE MANTE TOURTERON TOURTERON LA-COUTURE-Pl LA-COUTURE-Pl LE-PONTREAU LE-PONTREAU LA-CHAUVINIERE LA-CHAUVINIERE VALLEE-DU-PEROT VALLEE-DU-PEROT LE-PERRAULT LE-PERRAULT FONTAINE FONTAINE RICHEBONNE RICHEBONNE GRANDS-CHAMPS-F2 BOURG LES-FONTAINES LES-FONTAINES PUITS-DU-BOURG MAZ MA.Z PERIGNY PERIGNY STE-SABINE STE-SABINE Nitrates 53,2 74,5 67,3 53,7 53,1 63,3 65,9 78,4 72,1 56 55 128,1 50,3 58,3 65,2 66, ~i 64,4 53,5 50,^ 50,3 69,3 77,3 86,5 59,3 53,? 55 53,3 50,5 50 £0,3 52, 4 "5,7 "'l, 3 59, 1 91,3 34,3 50 51,5 59, ~ Btage Jurassique-moyen Jurassique-supérieur Jurass ique-supérieur Jurassique-supérieur Jurassique-supérieur Jurassique-supérieur Jurassique-supérieur Jurassique-supérieur Jurassique-supérieur Jurassique-supérieur Jurassique-supérieur Jurassique-supérieur Jurassique-moyen Jurassique-moyen Jurassique-moyen^ Jurassique-moyen Jurassique-moyen Jurassique-supérieur Jurassique-supérieur Jurass ique-supérieur Jurassique-supérieur Jurassique-supérieur Jurassique-supérieur Jurassique-supérieur Jurassique-supérieur Jurassique-moyen Jurass ique -noyer. Jurassique-supérieur Jurassique-supérieur Jurassique-moyen GRANITE Jurassique-supérieur Jurassique-supérieur Jurassique-moyen Jurassique-supérieur Jurassique-supérieur LIAS LIAS Jurass ique-moyen Jurassique-moyen Fig. 11.- 53 analyses d'eau sur les 257 effectuées en 1985 dans les DeuxSèvres excédaient la norme de potabilité pour les nitrates. C'est l'un des paramètres sensibles dans ce département. Les captages concernés sont principalement dans les terrains calcaires et Jurassiques 2. Thème : qualité d'une eau et répartition géographique Plusieurs problèmes vont pouvoir être étudiés à l'aide de la cartographie : - quelle est la valeur d'un paramètre de qualité dans les communes du canton ? du département ? - quels sont les liens entre qualité et milieu ? - la qualité de l'eau de chaque commune varie t-elle dans le temps ? Les données seront exportées du fichier de qualité. Chaque U.D. sera représentée par une analyse : il faut identifier une U.D. à un captage, puis définir la période à représenter pour éviter que plusieurs analyses effectuées à des dates différentes ne soient sélectionnées. Le semestre semble indiqué, car il correspond à la fréquence d'analyse des captages en zone rurale. En zone urbaine, la période peut-être plus courte. Les paramètres à extraire du fichier de qualité concerneront la géologie, la pollution, etc. Le choix de certains paramètres dépend des conditions locales. La D D A S S peut fournir des informations utiles sur les paramètres surveillés localement. a. Traitements La répartition des valeurs concernant un paramètre va faire l'objet d'un découpage ayant pour but la définition de classes de valeurs. L'utilisateur choisit : - le nombre de classes, qui doit concilier la précision et la lisibilité. Un nombre élevé favorise la précision au détriment de la lisibilité ; le compromis se situe entre 4 et 6 classes. - les limites de classes, qui conditionnent la cartographie. La carte obtenue avec les mêmes valeurs sera différente selon les limites définies. Le cartographeur propose plusieurs méthodes statistiques destinées à guider l'opérateur. Il semble judicieux de définir pour chaque facteur des limites basées sur des classes équidistantes. Exemples : pH : Nitrates (mg H ) : 6,5 25 7 50 7,5 75 b. Résultats La carte obtenue traduit la classe à laquelle appartient chaque U.D. Une légende complétera la carte, ainsi que quelques données statistiques décrivant la répartition de la population : moyenne, écart type, minimum et maximum. Les constats seront issus de la comparaison des cartes obtenues traduisant la répartition géographique d'un paramètre, les changements de sa répartition selon les périodes de l'année, les paramètres ayant la même répartition. Les hypothèses explicatives seront basées sur les connaissances locales. Des corrélations pourront être établies avec la géologie, les pratiques agricoles, l'activité industrielle. Le flux de matière peut être appréhendé. Les figures 12, 13, 14, 15, et 16 montrent des exemples de cartographies traduisant des états et des évolutions de quelques paramètres de qualité pour les Deux-Sèvres. Fig. 13.- Concentration des ions magnésium exprimée en mgll La norme est de 50 mgll. Les concentrations sont toujours inférieures à le norme. La répartition de cet ion ne coïncide pas avec celle du calcium. Son origine doit être recherchée dans les dolomies et dans les terrains métamorphiques. De 94.40 à 74.85 De 74.85 à49.88 1 :j De 49.88 à 2 5 . 1 6 De 2 5 . 1 6 a 0 . 7 0 Moyenne = 38.14 Ecart-<ype = 19.72 Mnimum = 0.70 Maximum = 94.40 Discrétisation selon les seuils observés Fig. 14.- Concentration en nitrates exprimée en sont souvent proches de la norme ou la dépassent. peut être corrélée avec la géologie du sous-sol proviennent des apports azotés pour les cultures de calcaires du Sud et du Nord-Est. mgll Les concentrations La répartition de cet ion (cf. fig. 3). Les nitrates céréales dans les plaines Fig. 15.- Conductimétrie en micro-Siemens par centimètre. Les eaux du Nord-Ouest sont douces et peu minéralisées. Celles du Sud et du Nord-Est sont dures et minéralisées. Fig. 16.- Bactéries totales début 1985. La qualité est très variable d'une U.D. à l'autre. La contamination bactérienne est élevée pour les ressources en eaux superficielles et, ponctuellement, pour certaines eaux souterraines. Dans ce dernier cas, les causes de vulnérabilité doivent être recherchées dans les activités situées dans le bassin d'alimentation de la ressource. Le nombre de bactéries est en général plus élevé dans le deuxième semestre, situant l'influence des températures estivales dans la prolifération des bactéries. 3. Thème : qualité et potabilité d'une eau : représentation en coordonnées polaires C'est une représentation graphique par secteurs, chaque axe représente un paramètre de qualité. Cette technique de représentation permet d'apporter une réponse rapide aux problèmes liés à la qualité et à la potabilité d'une eau. Les données sont fournies par les étiquettes des eaux commercialisées en bouteille. - Traitements Les paramètres représentés sont sélectionnés en fonction de leur disponibilité et de leur importance locale pour la potabilité de l'eau. Chaque axe possède la même échelle, alors que les paramètres ont des valeurs et des unités différentes. Chaque paramètre sera donc exprimé par une unité qu'il faudra définir. Le regroupement des paramètres par secteurs nécessitera la définition d'une stratégie d'exploitation. - Résultats Le graphique obtenu traduit la qualité de l'eau pour le captage et les paramètres choisis. Si le grapheur ne propose pas la légende automatique, chaque point sera identifié sur la périphérie du cercle. Un coloriage de la partie interne améliore la lisibilité. Chaque graphique fournit une "signature" de la qualité de l'eau. Les eaux ayant des signatures proches peuvent rapidement être regroupées et des familles constituées : eaux potables et non potables, eaux ayant des minéralisations voisines, etc. Les hypothèses explicatives reposeront sur les liens entre la valeur des paramètres et l'origine de l'eau. La figure 17 montre les résultats obtenus avec quelques eaux distribuées en bouteille. Contrexeville Fig. 17.- Analyse d'eaux Vichy St Yorre minérales. Contrexeville et Vichy St Yorre sont très minéralisées et dépassent les normes de potabilité pour un ou plusieurs paramètres. Ce sont des eaux médicales, leurs étiquettes expriment les avantages et les contre-indications. Perrier et Evian sont peu minéralisées et tous les paramètres sont inférieurs aux normes. nettement 4. Thème : corrélations entre paramètres de qualité des eaux Il s'agit ici de conduire une approche analytique de l'état de l'ensemble des paramètres de qualité de l'eau, dans un secteur géographique, pendant une période donnée. Par l'étude des corrélations entre paramètres de qualité, c'est la formulation d'hypothèses explicatives qui constitue l'objectif final. Elles doivent permettre de comprendre le lien existant entre la qualité d'une eau et son milieu. Le choix des données repose en partie sur les particularismes locaux. Les industries, les villes, le type d'activité agricole, la géologie du sous sol vont rendre sensibles des paramètres différents. Il est donc nécessaire de prendre connaissance des conclusions dégagées par la D D A S S pour effectuer ce choix. Mais tous les paramètres ne se prêtent pas à ce travail, faute de connaissances sur le sujet. D'autres paramètres, non concernés par la norme européenne, sont intéressants à étudier car ils constituent des "marqueurs" géologiques. Ce sont les ions calcium, magnésium, fer, sulfates, potassium, la silice, et certains paramètres physiques : le tH, la conductimétrie, le pH, le % de dioxygène dissout. La liste n'est pas exhaustive. - Traitements La qualité de ce travail repose sur le traitement d'un nombre important de données pour une période déterminée. Prendre un paramètre de référence (pouvant être différent pour les groupes de la classe) et étudier sa corrélation avec chacun des autres paramètres. La corrélation sera établie en étudiant la forme du nuage de points et/ou en examinant le coefficient de corrélation. Une bonne corrélation se fait à 0,9, le seuil se situe à 0,75. Les paramètres seront classés en trois groupes : paramètres corrélés avec le paramètre de référence, paramètres corrélés mais dont l'évolution est inverse, paramètres non corrélés avec le paramètre référence. - Résultats Dans le cas où une stratégie a été établie pour se partager le travail, une synthèse collective sera nécessaire. Corrélation ne signifie pas lien de cause à effet. Les corrélations établies seront accompagnées d'hypothèses explicatives chaque fois que ce sera possible. Les connaissances sur le milieu, les autres sources d'information, la confrontation d'hypothèses différentes peuvent contribuer à l'élaboration d'une réponse satisfaisante associant certitudes et interrogations. Les figures 18 et 19 montrent l'exploitation d'un fichier de qualité des eaux, et les corrélations établies entre le paramètre "calcium" et les autres paramètres de qualité dans les Deux-Sèvres. Fig. 18.- Les nuages de points et les coefficients de corrélation indiquent une bonne corrélation entre le calcium et le TH le TAC, HCOf, et une assez bonne corrélation avec les nitrates et la silice. f Fig. 19.- Synthèse des corrélations entre le calcium et et les paramètres de qualité. Trois groupes de paramètres apparaissent : autres - Le groupe constitué par les nitrates, la conductimétrie (Cdt), le TAC, le TH et HCOf ont une bonne corrélation avec le calcium ; ils évoluent dans le même sens. - Le groupe de la silice évolue en sens inverse du groupe précédent, corrélation avec le calcium est cependant moyenne. la - Le dernier groupe est constitué par les autres paramètres (Bact : bactéries, Sat O2 : saturation en dioxygène) dont les variations ne semblent pas liées à celle du calcium. V - CONCLUSIONS Créer des activités reposant sur l'emploi de l'informatique implique la définition de la spécificité des outils utilisés. L'intérêt d'une banque de données réside dans le volume d'informations contenu, accessible à tout moment mais pour des besoins différents. Exploiter ces informations suppose une connaissance précise de ce qui est cherché : quelle est la question posée ? Quel est le problème à résoudre ? Suit un inventaire des éléments nécessaires : de quoi j'ai besoin ? Enfin, une stratégie de recherche doit être élaborée : comment je trouve ? L'élève doit analyser la situation, faire des choix, trier les données, effectuer des traitements, choisir un mode de représentation, élaborer des conclusions ou des hypothèses explicatives. Lorsque l'élève reçoit, en TD, un document papier où figurent pratiquement tous les éléments nécessaires à la résolution d'un problème, ce travail est déjà réalisé. Les contacts avec le monde professionnel nous ont permis d'évaluer toute la richesse des connaissances que l'on peut dégager des banques de données dont l'existence constitue souvent une condition indispensable pour la compréhension d'un certain nombre de problèmes. L'initiation méthodologique des élèves (et des enseignants) concernant ce type d'approche est en adéquation avec les méthodes modernes d'investigation et constitue donc un acte de formation important pour l'éducation scientifique. Le traitement d'un volume parfois très important de données recueillies n'est réalisable qu'en utilisant des logiciels de traitement et de représentation graphique. S'approprier un logiciel dépend principalement de la qualité de l'interface utilisateur. Sans restreindre la puissance du logiciel, les interfaces actuelles (Mac OS, Windows) permettent de s'affranchir des codes clavier et de la gestion des fichiers et répertoires, pour privilégier le choix, la pertinence et le développement d'une stratégie d'exploration. Libérée des contraintes purement techniques, l'attention de l'élève ou du groupe se centre sur le problème biologique à résoudre, l'exploitation des informations, la formulation d'hypothèses amenant à de nouvelles connaissances et conclusions. Ce type de travail pose cependant le problème du temps nécessaire à sa mise en oeuvre (pour l'apprentissage technique et méthodologique). L'état initial de la banque de données peut moduler la difficulté du travail : les élèves peuvent disposer de la totalité des données (niveau difficile) ou seulement d'un volume restreint quelques données pertinentes pour un objectif limité (niveau facile), avec tous les intermédiaires possibles selon les fichiers constitués. Il n'en reste pas moins que, comme cela a été souvent constaté, proposer aux élèves des activités individuelles améliore l'attrait et la richesse de l'apprentissage, mais nécessite un temps supérieur à celui requis par la communication directe des résultats. Le tableau 1 montre un exemple de progression pédagogique sur le thème des ressources en eau, pratiquée en classe de seconde. Références - Aide à la décision Collection CXP 5 rue Monceau 75008 Paris. Description de 148 logiciels. 1989. - Mathématiques, statistiques et dépouillement d'enquêtes. Collection CXP 5 rue Monceau 75008 Paris. 1989. - Agences de Bassin Publications trimestrielles. - SRAE Poitou Charentes (1988) Schéma d'aménagement des eaux du bassin du Clain. - CRDP de Poitiers : Etude du bassin versant de la Charente (1989). - OMS : Directives de qualité pour l'eau de Boisson (3 volumes). En vente à la Librairie Arnette 2 Rue Casimir Delavigne. 75006 Paris. - J. Bodelle et J. Margat (1980) L'eau souterraine en France Paris Masson. - G. Castany (1982) Principes et méthodes de l'hydrogéologie Paris, Dunod Université. - D. Champiat et J.P. Larpent (1988) : Biologie des Eaux Méthodes et techniques. Paris, Masson. - Laboratoires MERCK-CLEVENOT (1986) : Manuel de microbiologie L'analyse de l'eau 5 à 9 rue Anquetil BP 8 94130 Nogent sur Marne. Annexe 1 Logiciels professionnels spécialisés et logiciels généraux Logiciels réalisés par le BRGM - ACTIF : Saisie d'informations de forages et valorisation immédiate sous la forme de compte rendu d'exécution ou de coupes techniques et lithologiques, - ISAPE : Interprétation semi automatique des pompages d'essai, simulation du comportement des puits dans des contextes hydrogéologiques variés, - DEFI : Conception des forages d'eau assistée par ordinateur, - MADO : Module d'acquisition de données, - IMAGE : Calcul d'inférence entre puits, - GARDENIA : Modèle global à réservoirs pour la simulation des débits et des niveaux aquifères, - MARTHE : Modèle hydrodynamique tridimensionnel pour les calculs en milieux poreux, - PIPER : Caractérisation chimique globale des eaux issues d'un aquifère, - VAL : Modèle de simulation des aquifères - INGRID : Interpolation dans un maillage et visualisation, - SYNERGIE : Planification et cartographie assisté par ordinateur. Logiciels établis p a r I G A - D E S C A R T E S Modélisation : Ensemble de modules de saisie, de traitement et de représentation de données (courbes de niveau, en 3 Dimensions) de tout système z=f (x,y) - HYDROSIS : logiciel de traitement de mesures de niveau d'eau et de suivi de captage - IGA-SONDEL: logiciel d'interprétation de sondages électriques rapide et simple. - IGA-DIGIT : logiciel de calcul de surfaces de périmètres, longueurs, orientations et coordonnées à partir d'une table à digitaliser. Le calage est réalisé par la méthode des moindres carrés. - DIGI-DEG : logiciel de digitalisation de coordonnées en longitude et latitude exprimées en degrés, minutes et secondes. Le calage est réalisé par la méthode des moindres carrés pour un repère non norme. - IGA-VLF : ensemble de modules permettant de digitaliser un plan de position de profils de mesures VLF, d'en saisir les mesures et de les représenter sur traceur. Logiciels généraux - Gestionnaires de fichiers : File Maker Pro, 4 D (Mac), Dbase, SuperBase. Tableurs-grapheurs : Excel 4. Grapheurs : Criketgraph, Deltagraph. Cartographeurs : Carto 2D (Mac), Map Maker, cartes et Bases. Logiciel orienté statistiques : Stat view (Mac). Intégrés : Ragtime (Mac), Works. Gestionnaires de fichiers intégrant l'hypertexte : Hypercard (Mac), Tool Book. A N N E X n ° 2 Fichier brut Eaux Souterraines : Qualité E O B J E T : Décrire la structure du fichier brut et les traitements à effectuer pour le rendre utilisable. Structure d u Fichier brut : LISTE DES CAPTAGES DE LA VIENNE NUMERO NOM DE LA COMMUNE CAPTAGE D'IMPLANTATION LIEU DIT COOR. LAMBERT Y X 8600401 8600601 8600602 8600603 REMERLE GUE DES SIOUX 1 GUE DES SIOUX 2 GUE DES SIOUX 3 487,14 487,23 487,23 487,23 ANGLES / ANGLIN ANTIGNY ANTIGNY ANTIGNY 190,03 174,90 174,90 174,90 | PARAMETRES DE LA QUALITE DE L'EAU ! COL1 ! COL2 : COL3 | COL4 ! COL5 COL6 ! COL7 | COL8 COLS i COL 10 j COL 11 j COL12 : COL1 3 i COL 14 1 NUMERO DU CAPTAGE DATE DE L'ANALYSE TURBIDITE EN GOUTTE DE MASTC PH OXYGENE CEDE EN MG/L DURETE (TH) EN °F T . A C EN °F AMMONIUM EN MG / L NITRITES EN MG / L CONDUCTIVITE EN MICRO-S / CM NITRATES EN MG : L CHLORURES EN MG / L SULFATES EN MG / L FER EN M G / L I DONNEES COL1 COL9 COL2 COL 10 COL 3 COL 11 C0L4 COL 12 COL5 COL 13 COL6 COL 14 COL 7 COL8 8600401 0000,00 8600401 0000,00 8600401 0000,00 760106 0452,28 760430 0452,28 760810 0481,46 0888,00 0010,00 0888,00 0005,00 0888,00 0005,00 0007,10 0020,00 0007,00 0024,00 0007,60 0022,00 0000,40 0000,00 0000,60 0005,00 0001,10 0005,00 0025,10 0000,10 0024,60 0000,01 0036,20 0000,01 0023,40 0000,00 0023,40 0000,00 0026,00 0000,00 — A N N E X E Fichier brut Eaux superficielles : Quantité n°3 O B J E T : Décrire la structure du fichier brut, et les traitements à effectuer pour le rendre utilisable. Structure d u Fichier brut : HYDRO AN JOUR 12 DEBITS L211401981 1011600040100151108400034000555012200 5600 L211401981 2012600374009150076500422004690011300 5400 L211401981 3013400395001151067500785004370018300 4900 L211401981 4088500995009950060500870004660014800 4000 L211401981 5073500107107500058000980004260013900 3200 000 001 2 7 6 1 0 4 8 0 0 A 000 0001 5 0 1 0 4 3 5 0 A 000 00011 6103700A 000 000100103400A 000 000900003180A 7200 1700 000 000660005650A L211401981 280317005550086500520007300037900 7200 1600 000 000600009700A L211401981 290464009998071000505007750010110 1400 0 0 0 3 8 0 0 5 4 0 0 0 1 4 9 1 A L211401981 30037600999805950049500145101181064000 L211401981 311046809998084000999806150099980 0009998134710999802741A 6900 L211401981 1029610775005350030700 4300 000 000 000 0 0 0 000 19003110A L211401981 2 0 2 1 9 1 0 7 3 0 0 0 7 5 5 0 0 3 0 7 0 0 4000 000 000 000 000 000 4002870A Origine d u fichier : Organisation des données A : agriculture S : service hydrologique centralisateur L : agence Loire-Bretagne Code hydrologique de la station : de 1 à ' Année : de 8 à 10 (3 derniers jours) Jour : de 11 à 12 12 débits (5 caractères par débit), de janvier à décembre ; de 13 à 72 L211401 981; j 10116000401001511084000340005550) 2200 5600! 000 001 276104800 A 3 chiffres pour le débit Codage d ' u n débit : 1 caractère de qualité : 0 ou blanc pour un débit bon, 1 ou 2 pour un débit douteux, 9 quand la qualité n'est pas exprimée, 4 pour un débit provisoire. -f00340< 1 caractère pour la puissance 9998 : Jours inexistants 11 9999 : Débit manquant L21140198129046400 L2114019813003760C L2114019813110468C L21140198132Q5ROOC L211^10198133 Î4212Ô41027Ô1Ô850Ô03553101471016Ô10 Ligne 32 : Effiits moyens mensuels 000600009700A 800540001491A 02741A 6OOOOGÔ358ÎO3441043Ô&A tïfeae 33 : Débits maximaux instantanés Annexe Météo : Données archivées n°4 OBJET : Description de la banque de donnée et analyse pédagogique de son utilisation en Collège ou Lycée . Organisme créateur : Météorologie nationale SCEM/ CLIM/ R Serveur: 2 Avenue RAPP 75340 PARIS Cedex 07 Tel:16.1.45 46 73 57 D o n n é e s sur s u p p o r t i n f o r m a t i q u e Fichier : ASCII sur disquette 5 1 / 4 Logiciels pouvant les utiliser : Tout logiciel acceptant un fichier ASCII Configuration nécessaire : Tout micro ordinateur Coût : Environ 13 FF pour un paramètre an Données disponibles : Les données météo sont disponibles pour 160 stations,depuis 1949. 20 paramètres sont disponibles : -températures extrêmes: Mini et maxi -précipitations: hauteur de jour, totale, nuit et durée de précipitation de jour, totale -insolations: durée insolation du matin, durée insolation du soir, durée insolation totale -vent: force et direction des vents maxi instantanés et moyennes et les heures -humidité extrêmes: mini et maxi -évaporation piche -calcul des degrés jour -ETP Fichier METEO brut O B J E T : Décrire la structure du fichier brut, et les traitements à effectuer pour le rendre utilisable. Structure d u Fichier brut : 296740101+005+0160810980000 296740102-003+0070790939998 296740103-024+0890610950010 296 74 01 01 +005 +016 081 098 0000 296740104+029+1140520969998 T° Min 296740105+064+1130540910048 T° Max Humidité Min 1 Précipitations Humidité Max 296740106+063+1130650909998 296740107+073+1390610960006 9QA7^im O R - L H / L R - I - I 1 £0770070089 NATURE ET TAILLE PU FICHIER ; C'est un fichier ASCII, il couvre les années 1974 -1987 pour les paramètres décrits ci-dessus. Sous forme compactée et en ASCII, il occupe 150 Ko environ. TRAITEMENT PU FICHIER Décompactage Ce travail a été réalisé à l'aide d'un gestionaire de base de données, chaque fiche correspondant à un enregistrement. La séparation des paramètres est réalisée à l'aide des fonctions textes propres au logiciel. La taille du fichier obtenu est de l'ordre de 1 Mo. L'importation a duré 45 minutes (Sur Mac+ et File Maker). Opérations sur le fichier : Les données manquantes sont codées -99 ou -999. Il faut alors faire une recherche de ces données et les remplacer par un blanc. Pour la pluviométrie, le code 9998 signifie sol sec et pas de pluviométrie, le zéro signifiant sol humide et pas de pluviométrie. Cette distinction nous est apparue peu significative pour l'exploitation , les données codées 9998 ont été transformées en 0. REAUSATIQN D'UN FICHIER P E TRAVAIL; Ce fichier est réalisé à partir du précédent, en ne copiant que les valeurs numériques obtenues. Disparait ainsi le fichier de base, et toute possibilité de modification de ces valeurs. En outre, la taille du fichier obtenu est considérablement réduite : 490 Ko. Un fichier ASCII doit-être produit pour être importé par le logiciel utilisé lors d'une étude ou ces données sont exploitables. ( C'est un fichier aux applications multiples) . OUTILS UTILISES + Compatible PC AT, Processeur 80386 et coprocesseur arithmétique + Framework 3 Nature de l'activité TD: L'eau, sujet un nouveau d'actualité Objectifs de savoir Objectifs de savoir-faire j -Définir : AEP, j - Nommer : . les différents usages de l'eau, \ Extraire les éléments significatifs, . les besoins en eau. i Faire une synthèse . les principaux problèmes \ locaux liés à l'eau. Définir : aquifère, nappe phréa-i Lire une carte avec des courbes tique, nappe captive, source j d'isovaleurs. Les ressources en Nommer : les principales loca-i Représenter une nappe sur une eau ! lisations des ressources en eau, j coupe géologique. Répartition et Décrire : le devenir des eaux de pluies connaissant les propriétés localisation des roches du sous-sol. - Définir : nappe phréatique, \ Mettre en relation des TD: nappe captive, milieu absorbant, informations. Les ressources en milieu ruisselant, - Nommer : les périodes où uneEtablir une relation de causalité. eau Extraire des informations d'un nappe se recharge Variations - Décrire : le devenir d'une eau graphique. de pluie en milieu absorbant quantitatives TP: TP: Mesure de quelques de paramètres qualité de l'eau. Normes de qualité - Définir : Paramètre de qualité, Utiliser correctement le matériel. Norme de qualité, dureté, pH, Respecter les consignes conductivité, solutés. d'utilisation des réactifs - Nommer : les principaux paramètres de qualité de l'eau destinée à la consommation humaine. - Définir : qualité de l'eau, Norme de potabilité La qualité de l'eau - Décrire : le lien entre la Utiliser un fichier informatisé, dans nature du sous sol et la variation de quelques paramètres de le département qualité. des Deux-Sèvres L'origine des nitrates dans l'eau TP: - Décrire : le lien entre la nature du sous sol et la variation i La qualité de l'eau Utiliser un outil de représentation de quelques paramètres de dans cartographique qualité. le département TP: Tableau 1 : Organisation d'une progression pédagogique réalisée en classe de seconde T r a m e d e l'activité | Quels sont les problèmes liés à la qualité de Veau. ? \ Etude d'un article de presse locale par un groupe. Elaboration d'une synthèse écrite (maximum 10 lignes). i Mise en commun orale des articles étudiés. j Enquête : volumes d'eau consommés par ménage. Définition des critères à relever. \ Bilan : Les problèmes liés à l'eau dans le département. I Où sont localisées les ressources en eau ? Peut-on identifier les flux d'eau? i Répartition des ressources en eau : étude de documents cartographiques concernant le département. | Localisation des ressources : utilisation d'une carte hydrogéologique : | Déterminer le sens des flux d'eau, Représenter la nappe superficielle sur une coupe géologique concernant une partie de cette carte. Comment varient les réserves d'eau d'une nappe ? Quelles en sont les causes ? Etude d'une représentation graphique de données expérimentales concernant les variations du niveau d'eau du puits et la pluviométrie. Comment varient les réserves d'eau d'une rivière ? Quelles en sont les causes ? Etude d'une représentation graphique des débits d'une rivière du département, et de la pluviométrie sur une période de 14 mois. Comment mesurer la qualité d'une eau ^Mesure expérimentale de quelques paramètres pH ( pHmètre), 0 2 dissous (oxymètre), Conductivité (conductimètre), Dureté totale (bandelettes TH), Nitrates (bandelettes nitrates). Chaque groupe mesure les valeurs de ces paramètres pour une eau dont il ignore l'origine. Utilisation des normes de qualité des eaux naturelles et de la norme de qualité de l'eau destinée à la consommation humaine. Collecte des résultats :Au tableau pour critique collective : Quelle classe ? potable ? Confrontation des résultats avec l'origine de l'eau étudiée (eau de rivière, eau minérale...) i Présentation du fichier de qualité des eaux brutes, et des manipulations de base. L'eau qui m'est distribuée est-elle potable ? Recherche des fiches concernant l'unité de distribution de chaque élève du groupe (utilisation de l'index). Comparaison avec les normes, rédaction d'un bilan de qualité pour l'analyse imprimée. Quels sont les captages qui ont fourni une eau dépassant les normes de potabilité pour un paramètre ? Utilisation des fonctions de recherche critériées, de tri. Les paramètres i étudiés sont ceux qui se sont dégagés de l'étude précédente (nitrates, bactéries,...). Bilan, j Comment varie un paramètre pour un captage ? Liberté est laissée de choisir un paramètre, le captage. Dégager une conclusion globale. Comment expliquer les variations géographiques de la qualité de l'eau ? Présentation du logiciel de cartographie. Elaboration guidée d'un document cartographique. Détermination des classes de valeurs, choix d'une méthode statistique. Elaboration par groupe de représentations cartographiques concernant 2 ou 3 paramètres. Elaboration d'une synthèse par groupe, puis collective (en cours). GESTION DES RESSOURCES VEGETALES ET ANIMALES Exploitation pédagogique des logiciels professionnels d'aide à la décision A. Barrère, J. Barrère, J.Y. Dupont, B. Moulia Ce travail est dédié à Bernadette Moulia L'équipe est particulièrement redevable aux organismes suivants : - Centre National d'Etude et de Recherche sur les Techniques Avancées (CNERTA) - Chambre d'Agriculture d'Indre et Loire - Institut des Techniques Céréalières et Fourragères (ITCF) - Institut Supérieur Agricole de Beauvais (ISAB). Société ISAGRI - Institut National de Recherche Agronomique (INRA). Station Avicole de Tours-Nouzilly Travail réalisé dans le cadre d'une coopération entre l'INRP et l'iNRAP. GESTION DES RESSOURCES VEGETALES ET ANIMALES E x p l o i t a t i o n p é d a g o g i q u e des logiciels p r o f e s s i o n n e l s d'aide à la décision 193 A. Barrère, J. Barrère, J.Y. Dupont, B. Moulia I. L'INFORMATIQUE D A N S LE MONDE AGRICOLE 194 A. Les Logiciels disponibles 1. Production végétale 2. Production animale B. La collaboration avec l'enseignement agricole 195 195 196 197 IL LOGICIELS CHOISIS. FONCTIONNALITES ET UTILISATION PEDAGOGIQUE 198 A. Fertilisation minérale : le logiciel ISAFUMURE 1. Fonctionnalités 2. Utilisation pédagogique a. Activités sur le terrain et en T.P. b. Utilisation du logiciel 3. Les étapes du travail a. Les exportations minérales b. Les caractéristiques du sol c. Amélioration de la fertilité des sol 198 198 199 200 200 201 201 202 205 B. Rationalisation de l'irrigation : le logiciel LORA 1. Fonctionnalités 2. Utilisation pédagogique a. Les besoins en eau des plantes b. Les réserves en eau du sol c. L'adéquation besoins-ressources 205 205 207 207 209 210 C. Nutrition animale : le logiciel DIETAL 1. Fonctionnalités 2. La nutrition en vue de la production de lait 3. La physiologie des ruminants 4. Le rationnement en stabulation libre a. La valeur nutritive des aliments b. Equilibrer les apports alimentaires c. Eviter le prélèvement sur le squelette d. Accroître la production lactée 5. La nutrition en pâturage a. L'évolution de la prairie dans le temps b. La valeur alimentaire des fourrages 213 213 213 214 217 217 218 219 219 220 222 223 ni. SYNTHESE 224 ANNEXE 227 GESTION DES RESSOURCES VEGETALES ET ANIMALES Exploitation pédagogique des logiciels professionnels d'aide à la décision La production végétale et animale est au centre d'enjeux considérables : son évolution s'accompagne de mutations sociales importantes ; elle comporte une dimension économique nationale et internationale de premier plan ; les pratiques qui y sont utilisées ont des conséquences considérables sur les milieux naturels. L'accroissement démographique et le développement industriel ont amené à une mobilisation des esprits sur ce thème. Dans ce contexte, nous avons choisi de mettre l'accent sur la compréhension des relations entre les aspects fondamentaux et appliqués des sciences biologiques, d'une part, et sur l'étude des des bases scientifiques de la gestion des écosystèmes naturels et aménagés d'autre part. Cette gestion qui tient une grande place dans les programmes d'enseignement constitue également une contribution essentielle à la formation du citoyen. Sous leurs aspects les plus tangibles, les contenus d'enseignement dans ce domaine ont une valeur pédagogique particulière, dans la mesure où ils appellent de nombreuses activités concrètes des élèves sur le terrain et au laboratoire. Cette caractéristique est précieuse en classe de seconde où l'accent doit être mis sur l'apprentissage de méthodes plutôt que sur l'accumulation de connaissances spécialisées. Mais l'enseignement de la gestion des ressources naturelles rencontre des difficultés évidentes. Du fait que la recherche fondamentale et appliquée sont très actives, celui-ci implique l'intégration régulière de nouveaux savoirs, ce qui a pour conséquences l'augmentation en volume des contenus à enseigner. De plus, la compréhension des relations entre les êtres vivants (dont l'Homme) et leur milieu, et la place de ces relations dans le fonctionnement des écosystèmes naturels et subventionnés appelle une approche systémique et comporte beaucoup de concepts peu évidents qui appartiennent à divers domaines (géologie, pédologie, biochimie, économie, etc.). Introduites de manière progressive et étalée dans le temps, ces connaissances sont forcément parcellisées et la dimension systémique devient assez difficile à appréhender. En outre, comme dans beaucoup d'autres domaines de la biologie et de la géologie, le renouvellement des connaissances est associé à l'emploi de techniques d'analyse et d'investigation complexes qui ne sont pas praticables dans un enseignement général. Pour toutes ces raisons, un enseignement de la production végétale et animale basé sur les connaissances scientifiques et les méthodes techniques les plus récentes requiert des outils pédagogiques nouveaux. La référence aux utilisations de l'informatique dans ces domaines peut fournir un certain renouvellement des méthodes d'approches et peut-être même un certain approfondissement des concepts enseignés. I. L'INFORMATIQUE DANS LE MONDE AGRICOLE Dans les milieux professionnels, l'informatique joue un rôle croissant dans la gestion et l'aide à la décision. Les logiciels utilisés à cette fin exploitent les connaissances scientifiques actuelles, relient entre elles les données fournies par l'utilisateur, les manipulent en fonction de modèles, produisent une expertise qui éclaire les décisions. L'informatique a apporté très tôt des moyens de stockage et de traitement de l'information. Depuis une douzaine d'années, on constate une évolution de ses fonctions en milieu agricole : - elle participe maintenant aux travaux de suivi (contrôles de performances des animaux, résultats d'analyse de sol, etc.), - elle constitue également un outil de prévision : le but est de mettre en évidence un manque à produire lié à certaines pratiques ; on réalise donc, compte-tenu de certains facteurs connus, une prévision de production théorique ; la confrontation entre les résultats apparaissant dans le suivi et la production théorique amène à déterminer des écarts, - elle remplit enfin une fonction de diagnostic : il s'agit de trouver les causes des écarts constatés et d'envisager les remèdes possibles ; ce diagnostic débouche, au niveau de la gestion de l'exploitation agricole, sur la prise de décision. Cette introduction de l'informatique a modifié de manière assez importante les modalités de cette prise de décision : de façon traditionnelle, on décidait au niveau de l'exploitation en considérant un certain nombre d'informations qualitatives ou quantitatives recueillies dans l'exploitation et valorisées à la lumière de "l'expérience". La manipulation de modèles de plus en plus complexes, conjuguée avec la modification d'un certain nombre de normes (désignant les caractéristiques des aliments par exemple) en rapport avec les connaissances scientifiques et techniques, a entraîné un déplacement du lieu et des modalités de la prise de décision. L'exploitant met à la disposition d'un "spécialiste" les informations dont il dispose (analyse de sol, historique parcellaire, aliments disponibles dans l'exploitation, production laitière, etc.) afin que celui-ci lui procure en retour des "conseils" de fumure, de complémentation alimentaire, à partir desquels il décidera. Ceci se fait dans le cadre de structures (Chambres d'Agriculture, coopératives de production, etc.). Toutefois, un retour à la gestion individuelle est maintenant perceptible, notamment à travers l'équipement en matériels informatiques d'exploitations de production laitière. Ce fait est en rapport avec la nécessité d'un suivi en temps réel de la production et des facteurs qui la régissent : la distribution automatique de concentrés se fait en exerçant, pour chaque tête de bétail, un contrôle journalier de l'alimentation qui est mise en rapport avec la production. La saisie des informations est considérablement réduite et la décision peut-être affinée si nécessaire. A. L e s Logiciels disponibles Les logiciels agricoles sont très variés dans les domaines qu'ils traitent : cultures céréalières, fourragères, arboricoles, viti-vinicole, élevages bovins, ovins, porcins. Certains sont généralistes (culture des céréales, par exemple), d'autres plus spécialisés (ne concernant qu'une seule espèce). Ils sont aussi en rapport avec les différentes fonctions de l'entreprise : optimisation des travaux de la ferme, gestion économique, gestion de production. La fonction de production est la seule qui nous intéresse ici. Tant en production animale que végétale, les domaines d'application que nous avons repérés sont essentiellement de trois ordres : - la sélection des espèces et le choix des variétés, - l'amélioration de la production en agissant sur les apports ou les pratiques, - les traitements préventifs et curatifs (diagnostic et traitement en pathologie). Nous nous sommes intéressés aux logiciels disponibles qui relèvent des deux premiers points (cf. annexe 1). 1. Production végétale Parmi les logiciels en rapport avec la production végétale, nous avons analysé les produits suivants : - Les logiciels de l'Institut des Techniques Céréalières et fourragères (ITCF). Nous avons travaillé d'abord sur les logiciels de la version 1986 ( V A R I T C F , DESHERBITCF, FONGITCF, AZOTICF) dont les fonctionnalités ont été ensuite rassemblées dans un produit unique : FORMULE BLE. Cette version de 1989, actualisée et complétée, répond aux problèmes suivants : quelle variété de blé choisir en fonction de différents paramètres (pédologiques, climatiques, biologiques, agronomiques) ? Quelle densité semer ? Quel est l'objectif de rendement possible en fin d'hiver ? Quelle quantité d'azote doit être apportée ? A quel moment ? Quand doit-on traiter ? Avec quels produits ? Il s'agit typiquement d'un logiciel spécialisé. - Trois logiciels qui traitent de la fertilisation minérale ( I S A F U M U R E , P L A N F U M U R E et G E S T E R ) . Leurs finalités communes sont : effectuer une interprétation d'une analyse de sol, calculer un bilan minéral à partir des cultures réalisées, optimiser un plan de fumure. Ces produits prennent en compte un nombre important de paramètres : P2O5, K 0 , Ca, Mg et dans certains cas les oligo-éléments. Ils utilisent des modèles différents, fruits de la recherche agronomique, et mettent en évidence que le sol de l'exploitation agricole est fragilisé par les importantes exportations dues aux récoltes et doit être rigoureusement géré par l'agriculteur. DE 2 Les produits les plus anciens, ont des performances modestes et ne gèrent qu'un problème particulier (exemple : optimisation d'une fumure azotée, choix d'une variété de blé), ce qui implique pour chaque objectif la saisie d'un grand nombre de données. A la faveur de l'apparition d'outils informatiques de type gestionnaire de données, l'évolution s'est faite dans le sens d'une intégration des différentes applications dans un même produit, en travaillant sur une même base de données qui devient plus complète avec le temps. La prise de décision se fait donc en prenant en compte une "histoire" (de la parcelle ou du troupeau). Ainsi, A Z O T I T C F (conçu en 1980) proposait des conseils sur une campagne agricole, alors que I S A F U M U R E (version de 1988) propose un plan de fumure tenant compte du suivi de la parcelle sur plusieurs années. La présentation de ces logiciels est également très différente : les plus récents ont des menus déroulants, des représentations graphiques et des tableaux préaffectés. Quoique également récent, Plan de fumure, élaboré par la chambre d'agriculture de la région Rhône-Alpes, s'adresse particulièrement à des techniciens : la saisie des données est longue ; il n'y a pas ou peu de tableaux récapitulatifs des informations ; les résultats ne sont pas assortis d'explications. 2. Production animale Parmi les logiciels en rapport avec la production animale, quatre ont été analysés (MENUALI, ALIPORC, PORFAL, DIETAL). Ils ont un même objectif global : optimiser une ration alimentaire afin d'assurer une production maximale au moindre coût en ajustant au mieux l'alimentation aux besoins de l'animal. Ils sont différents par : - les paramètres qu'ils prennent en compte : MENUALI ne considère que 8 caractéristiques alimentaires (la masse sèche, la valeur énergétique, 2 composants minéraux, etc.). DIETAL en considère 21. - La précision dans les conseils qu'ils fournissent et dans la facilité avec laquelle on peut créer des situations différentes. Exemple : dans M E N U A L I , l'indication du rationnement pour les vaches allaitantes est fournie pour trois périodes ; dans DIETAL, cette indication est fournie semaine par semaine si on le désire. - Les contraintes à privilégier : M E N U A L I , ALIPORC et optimisation d'abord en fonction de l'objectif de production. contrainte "coût" une dimension prépondérante. DIETAL PORFAL font une fait de la - La présentation, la convivialité et la forme de restitution des résultats : dans la plupart des logiciels, les conseils pour une nouvelle situation nécessitent l'entrée de nouvelles valeurs et la relance d'un nouveau calcul. DIETAL avec ses menus déroulants, ses représentations graphiques en couleur et ses tableaux préaffectés permet de lancer une simulation en indiquant seulement le ou les paramètres à faire varier. En conclusion, nous avons retenu I S A F U M U R E et D I E T A L à cause de leurs caractéristiques techniques et de leurs performances. Les différences observées par rapport aux autres produits sont liées à leur caractère récent et donc à une meilleure connaissance des sols, des besoins des végétaux, de la composition des aliments (l'exploitant fait dorénavant analyser son fourrage par exemple) et de l'impact des différents composants alimentaires sur la physiologie de l'animal. A ces deux produits il faut ajouter un troisième logiciel, L O R A , apparu en cours de recherche. Il permet de choisir une culture, de lui attribuer une surface sur l'exploitation agricole et d'adopter un mode de conduite de l'irrigation. Il propose des solutions aux problèmes liés à l'amélioration de la production primaire et à la gestion des ressources hydriques. Il complète utilement l'approche introduite par le logiciel ISAFUMURE. B. La collaboration avec l'enseignement agricole Ces logiciels qui servent déjà dans la formation des professionnels ont rarement donné lieu à une exploitation pédagogique dans l'enseignement initial. Du fait qu'ils comportent une composante technologique importante, nous avons essayé d'en cerner les apports possibles dans l'enseignement secondaire, en collaboration avec un établissement d'enseignement agricole, le Lycée de Tours-Fondettes. Comme la plupart des établissement de ce type, l'enseignement s'y organise autour d'une exploitation agricole très proche de celles existant dans la région, c'est-à-dire orientée vers la polyculture (maïs, tournesol, blé, colza), l'élevage (Bovins,Ovins) et l'horticulture. Il prend également un caractère expérimental à travers quelques spécialisations : arboricole, orientée vers la production fruitière, et viti-vinicole. Nous trouvons donc dans cet établissement des spécialistes en phytotechnie et en zootechnie. Cette collaboration est intéressante pour plusieurs autres raisons : - les programmes d'enseignement de la biologie dans les classes de seconde et de première sont semblables à ceux de l'enseignement général, - il y existe les mêmes préoccupations d'ordre pédagogique, notamment en ce qui concerne l'intégration de l'outil informatique compte tenu du grand développement auquel on assiste actuellement dans ce secteur, - il est directement impliqué dans des applications techniques et des activités de recherche, et dispose de ce fait de nombreuses données. - il est en rapport avec de nombreux organismes du domaine de la recherche fondamentale et appliquée (INRA) et du domaine économique (Chambres d'Agriculture), - il dispose des productions logicielles diffusées par l'intermédiaire du Centre National d'Etude et de Recherche sur les Technologies Avancées (CNERTA) à un réseau d'établissements d'enseignement agricole. II. L O G I C I E L S C H O I S I S . F O N C T I O N N A L I T E S ET UTILISATION PEDAGOGIQUE A. Fertilisation minérale : le logiciel I S A F U M U R E 1. Fonctionnalités Ce logiciel aborde le problème de la fertilisation minérale : il interprète une analyse de sol, calcule un bilan minéral à partir des cultures réalisées (exportations) et des caractéristiques physico-chimiques du sol et optimise un plan de fumure. Il présente quatre options : a. Paramétrages : cette option permet de définir les caractéristiques générales de l'exploitation cultures, parcelles, engrais et amendements. b. Analyse de terre : cette fonction comporte toutes les informations relatives à cette analyse, ainsi que les normes d'interprétation et les conseils régionalisés. c. Prévisions : celles-ci portent sur les conseils de fumure ; la fonction fournit toutes les informations qui permettent de formuler ces conseils à partir des analyses de terre (assolement de l'année et prévisionnel sur les quatre campagnes à venir). Elle utilise notamment les plans de fumure issus des saisies précédentes. Le logiciel recherche pour chacune des parcelles la meilleure association d'engrais répondant aux paramètres enregistrés. d. Réalisations : il s'agit de saisir les fumures effectivement épandues et les rendements récoltés. Le logiciel calcule alors le bilan minéral de la parcelle. S I A F U i M U R E PARAMETRAGES G E S T I O N DE LA FERTILISATION Je 1 dênarre 1 2 3 4 Isafunure ANALYSES PraMétrages 2 Analyses 3 de 1 2 3 4 5 terre Prévisions 4 Rëa1 i s a t i Cultures Parcel 1 es Engrais Divisions des ons DE parcelles TERRE A n a l y s e s de t e r r e Conseils régionalisés Nornes d' i n t e r p r é t a t i o n Interprétation des analyses E d i t i o n des analyses PREUISIONS 1 2 3 4 5 6 A s s o l e n e n t de l'année Assolenent prévisionnel C o n s e i l s de f u n u r e P205 K20 C o n s e i l s d e f u n u r e C a O MgO P l a n s de F u n u r e optimises P l a n s de f u n u r e s i nu l é s REALISATIONS 1 2 3 4 Fig. 1.- Menu principal FuMures réalisées Rendenents récoltés B i l a n de funure Changenent de canpagne dlsafumure. Ces fonctionnalités s'appuient sur les résultats de la recherche (station pédologique de l'INRA de Laon) qui a abouti à l'établissement de normes d'interprétation prenant en compte la capacité du sol à retenir les ions nutritifs K , M g , N H , C a , etc. (capacité d'échanges cationiques du sol : CEC) . + 2+ + 2+ 1 4 2. Utilisation pédagogique Ces fonctionnalités s'intègrent bien dans les programmes de biologie. En classe de seconde, elles permettent d'aborder les propriétés physico-chimiques du sol, son dynamisme (exportations et restitutions, cycle de la matière), la fertilisation organique et minérale ; elles conduisent à dégager les règles qu'impose une fertilisation raisonnée. 1 La CEC ou complexe d'échange cationique reflète la capacité du sol à retenir les ions. Le critère "teneur en argile + 5*teneur en matière organique" est proportionnel à la CEC : il est utilisé pour calculer les teneurs souhaitables. En classe de première S, on peut également étudier la mobilisation biologique des substances minérales et relier les connaissances fondamentales sur la nutrition du végétal aux applications technologiques récentes. Nous avons pu disposer d'ordinateurs et de clés électroniques en nombre suffisant pour faire travailler les élèves en petits groupes de deux ou trois par machine. Le recours au logiciel se fait sous la forme de petites séquences qui suscitent et accompagnent l'acquisition de connaissances et s'insèrent parmi d'autres investigations menées au laboratoire et sur le terrain. a. Activités sur le terrain et en T.P. L'étude de l'agroécosystème commence de manière classique par un travail sur le terrain. Les élèves visitent une parcelle de maïs par exemple, précisent l'état de la culture (montaison, floraison, fructification, maturation), notent l'état de déshydratation de la culture, recherchent d'éventuels parasites, font l'inventaire des adventices (variétés, localisation, densité). Puis ils évaluent la densité des pieds sur la parcelle, recherchent des pieds de référence qui sont rapportés au lycée où il servent à l'évaluation de la biomasse. L'étude de terrain est complétée par un travail au laboratoire au cours duquel on évalue la biomasse d'un hectare de maïs et on détermine la productivité de l'agrosystème. Cette évaluation permet de faire prendre conscience des quantités énormes de matière exportée par la culture au moment de la récolte et de s'interroger sur l'origine de cette matière. Avec le logiciel, il est alors possible d'aborder le problème de la quantification de ces exportations et de rechercher leurs facteurs de variation. b. Utilisation du logiciel Les options du logiciel nécessaires à cette étude ont été retenues avec des simplifications : dans l'option paramétrages, par exemple, nous avons retenu six cultures différentes correspondant à deux types de rotations : une rotation de type "polyculture-élevage" et une rotation de type "grande culture". Nous avons aussi choisi trois parcelles aux propriétés physico-chimiques différentes. Chaque parcelle est divisée en deux sous-parcelles ; ainsi un même sol peut recevoir les deux types de rotation. Dans l'option prévision on s'est intéressé principalement aux conseils de fumure en P 0 , K 0 et secondairement aux conseils en CaO, MgO, alors que les fonctions qui utilisent les caractéristiques physico-chimiques et établissent les formules d'engrais en optimisant les coûts ont été retenues au Lycée Agricole de Fondettes. 2 5 2 3. Les étapes du travail a. Les exportations minérales Le travail avec le logiciel va permettre, d'abord, d'avoir une évaluation chiffrée des exportations minérales de quelques cultures. Chaque groupe d'élèves choisit ses cultures, ses rendements et le type de récolte (résidus enfouis ou non), et reporte les informations dans un tableau (fig. 2). CULTURES Blé Maïs grain Maïs Tournesol fourrage Betteraves Colza RENDEMENTS 60q 45q 12t 35q 600t 35q 54 30 12 60 31 23 9 45 - 45 28 14 7 60 50 54 60 53 35 14 28 45 77 19 45 66 180 48 144 63 317 14 7 108 480 126 150 88 245 49 28 Prairie 8t RESIDUS ENFOUIS P205 K20 MgO CaO kg/ha kg/ha kg/ha kg/ha _ RESIDUS N O N ENFOUIS P205 K20 MgO CaO kg/ha kg/ha kg/ha kg/ha 72 108 21 108 28 112 8 20 Fig. 2.- Exportations minérales en fonction des objectifs de rendement et du mode de récolte pour sept espèces (ou variétés) végétales. Le logiciel donne accès à un grand nombre de paramètres inaccessibles autrement. La richesse de la banque de données qui l'accompagne (une quarantaine de cultures), la possibilité de retenir des rendements variables dans des limites compatibles avec des situations réalistes, le choix du devenir des résidus, permettent une diversification de la recherche et une appréhension fine du réel. Cette phase aboutit à une mise en commun des résultats. Une représentation graphique synthétique des quantités exportées par la récolte et des quantités restituées par les résidus est élaborée (fig. 3). E x p o r t â t i ons< grains) 90 Kzm Rast i t u t i ons(pai 1 1«) 30 130 50 20 Cal 15 80 ( U n i ta*s : k g / h a ) Fig. 3.- Exportations 60q. minérales d'une culture de blé pour un rendement de b. Les caractéristiques du sol Cette approche quantitative des exportations agricoles conduit les élèves à formuler de nouveaux problèmes : comment le sol peut-il couvrir les besoins des cultures en mettant à la disposition de la plante de l'eau et des ions ? Quels sont les facteurs pédologiques qui conditionnent la nutrition des végétaux ? En travaux pratiques, on réalise l'analyse physico-chimique d'un échantillon de terre (correspondant à une parcelle réellement visitée) en tenant compte des paramètres retenus par le logiciel. On entreprend également une analyse granulométrique "grossière" suivie de la recherche de quelques éléments minéraux. Cette analyse reste incomplète et imparfaite car les méthodes mises en oeuvre sont très éloignées de celles pratiquées par le technicien, mais cette approche concrète facilite notablement la compréhension des résultats. L'analyse physico-chimique de l'échantillon, réalisée préalablement par un laboratoire spécialisé, est stockée dans la base de données. L'appel de cette analyse permet de définir les notions de structure, de texture et de complexe argilo-humique qui sont nécessaires à l'évaluation du degré de fertilité de la terre. Les principaux éléments minéraux (P2O5, K 0 MgO, CaO et N a 0 ) sont quantifiés . 2 2 2 L'analyse du sol étant réalisée, comment l'interpréter ? Le logiciel fournit cette interprétation : le degré de fertilité est exprimé en comparant les différentes teneurs analysées (teneurs réelles) à des teneurs souhaitées (teneurs optimisées) (fig. 4). 2 P 2 O 5 exprime la teneur en Phosphore : en réalité celui-ci existe sous forme d'ions phosphorique H2PO4", HPO4", PO4""". Il en est de même pour le potassium qui est présent sous forme de K , le magnésium sous forme de Mg++ et le calcium sous forme de Ca++. + Noh de la parcelle Date de prëlëvenent Lieu de prêlêvenent Noh du laboratoire MICHOUETTE INRA Analyse « r a s a i « M é t r i q u e e n graviers >2mm 8 1006 terre fine sables grossiers 292 sables f i n s 114 1 irions grossiers 231 268 1 irions f i n s argile 95 pour ni l i e Dligoêlênents : bore 8.00 cuivre 0.90 zinc 0.00 M a n g a n è s e 8.00 fer 8.00 Analyse p h y s i c o - c h i n i q u e : Conseils natiêres organiques 16.00 noyen calcaire t o t a l 0.00 ph 7.80 alcalin carbone 9.34 azote t o t a l 1.08 rapport C/N 8.65 faible CEC 0.00 Analyse c h i n i q u e : P205 assinilable 8.07 potasse échangeable K20 Ç-Jl calciun échangeable CaO 3 sodiun échangeable Na20 M a g n é s i e échangeable MgO 8«87 teneurs souhaitables 16.08 pauvre pauvre 0.183 0.211 correct 0.081 1 5 0 < Etat calcique : sol â p h a l c a l i n , p h correct nais réserve calcique faible, â s u r v e i l l e r . Conseils en M g O : l a t e n e u r du s o l satisfaisante en wagnêsiuH assinilable est Conseils en P205 : Un redressenent de 399 u n i t é s de P205 est souhaitable à r é p a r t i r sur plusieurs années pour é v i t e r l e s p e r t e s o u les b l o c a g e s d ' a u t r e s é l ë n e n t s u t i l e s â l a plante. Nous vous conseillons : 90U pdt 3 a n s p u i s 45U p d t 3 a n s . Conseils en K2I : La teneur du sol en potassiun assinilable est insuffisante. Un r e d r e s s e M e n t de 429 unités de K20 p a r a i t nécessaire, i l vous p e r M e t t r a une M e i l l e u r e r é g u l a r i t é d e s r e n d e M e n t s . Nous v o u s conseillons: 180U p d t 3 ans puis 50U p d t 3 ans. Fig. 4.- Interprétation d'une analyse de terre. Le logiciel Isafumure des normes d'exportations définies par la station de l'iNRA de Laon. Il pour chaque analyse des teneurs souhaitées et des conseils de fumure. exploite propose Quelle est la signification de ces valeurs théoriques, et quel est le mode de raisonnement à travers lequel le spécialiste évalue le degré de fertilité d'une terre ? Les élèves comparent les résultats obtenus pour trois sols : un sol argilo-limoneux, un sol argileux et un sol limono-sableux. Ces sols sont décrits par leurs teneurs en argile et en matières organiques. Il semble qu'il existe une relation entre ces teneurs et celles qui sont souhaitables en P2O5, K 2 O , MgO et CaO. Cette hypothèse peut être testée grâce au logiciel en modifiant pour une même parcelle, soit le taux d'argile, soit le taux de matière organique ; on découvre ainsi que le modèle d'évaluation du degré de fertilité d'un sol s'appuie sur les propriétés du complexe argilo-humique. Tenears souhaitables exprimes en en P285, K2I et Hj X. •.4 K20 • . 3 P285 e.2 - HflO 8.1 8.8 e 8 288 Tene u r s 488 €88 sauna t a k l e s e x p r i nées; e n en en X. t88 P205 K2I et NflO X. 8.4 1(28 / 8.3 P28S 8.2 8.1 8.8 Tenears 8 28 48 C8 •8 l M en araaniqae en ratière expr i nées X. Fig. 5.- Les teneurs souhaitables en P2O5, K 0, MgO et CaO varient en fonction des teneurs en argile (5a) et des teneurs en matières organiques (5b). 2 c. Amélioration de la fertilité des sol Sachant que tous les sols n'ont pas le même degré de fertilité, on peut proposer aux élèves de définir une stratégie visant à améliorer celle de quelques parcelles dans le respect de l'environnement. Si l'agriculteur souhaite maintenir le degré de fertilité de ses parcelles et leur niveau de production, une fertilisation de redressement s'impose suivant que les sols sont pauvres ou riches en éléments nutritifs. Pour une situation précise (un type de sol, un type de culture), les élèves élaborent des propositions de fertilisation. En interrogeant le logiciel qui fournit les conseils de fumure, ils sont amenés à juger de la pertinence de ces propositions et à réfléchir sur les modalités d'application (fractionnement des apports, étalement dans le temps). On sait que ces modalités sont responsables de conséquences écologiques considérables. Pour mieux correspondre à la réalité de la décision agricole, l'exploitation du logiciel devrait prendre en compte la dimension économique, ce qui est possible mais n'a pas été entrepris dans le cadre de ce travail. B. Rationalisation de l'irrigation : le logiciel LORA 1. Fonctionnalités Ce logiciel s'adresse aux agriculteurs irrigants, aux techniciens et conseillers concernés par la gestion de l'eau. Il permet de choisir des cultures, de leur attribuer une surface sur l'exploitation agricole et d'adopter un mode de conduite (culture irriguée ou culture à sec) (fig. 6). ETP et S T A T I O N MET E U DE ANNEE 1 9 9 0 p l u i e s e n mm BI.OIS Fig. 6.- LORA exploite des données météorologiques réelles. La base de données comporte les valeurs de l'ETP et de la pluviométrie sur 15 ans dans 45 secteurs géographiques. Les informations concernant la station météorologique de Blois montrent l'importance du déficit hydrique durant l'été. La prise de décision s'appuie sur des contraintes liées à l'exploitation et aux ressources naturelles disponibles. Elle prend également en compte les conditions climatiques à propos desquelles subsistent de nombreuses inconnues. Comment prévoir les besoins en eau d'une culture en début de campagne ? Comment calculer les besoins sachant qu'ils varient en volume dans le temps selon le climat, le sol et les cultures ? Pour évaluer les besoins en eau des cultures et prévoir les conséquences d'un stress hydrique sur la production, le logiciel exploite des modèles biotechniques sol-climat-plantes fondés sur des références contenues dans des bases de données régionalisées. Il utilise un ensemble de scénarios climatiques qui peuvent être constitués à partir des relevés météorologiques des années passées. Il prévoit les conséquences de ces scénarios en prenant en compte le contexte pédologique (fig. 7) et en exploitant des modèles biotechniques élaborés par les chercheurs de l'INRA. TYPES DE SOLS PROFONDEURS Boulbènes Boulbènes Boulbènes Terrefort Terrefort Limon de vallée Limon de vallée Ségala Ségala Alluvion de vallée Alluvion de vallée! 30 60 90 60 90 110 80 40 80 60 20 RU unit QD total RU total 1,8 1,8 1,8 2 2 2,2 2,2 1,8 1,8 2 2 32,4 64,8 89,1 72 99 122,1 99 43,2 81 72 117 48,6 97,2 145,8 108 162 217,8 158,4 64,8 129,6 108 216 etc. F i g . 7 . - Les données pédologiques peuvent être enrichies par des données locales lorsqu'elles existent. RU : Réserves utiles. QD : quantités disponibles. Le logiciel comporte des données biologiques concernant de nombreuses cultures d'hiver (blé, colza,...) et d'été (maïs, sorgho, tournesol, soja,...) pour lesquelles les risques liés aux incertitudes climatiques sont importants. Ainsi, ce logiciel fait le lien entre la mobilisation biologique et le flux d'eau des végétaux d'une part, et la production primaire dont il propose l'amélioration d'autre part. 2. Utilisation pédagogique Elle s'est déroulée collectivement sur un seul poste de travail (une seule clé de protection disponible). L'exploitation du logiciel permet d'obtenir une quantification des phénomènes hydriques au niveau de l'agrosystème : quelle est la demande en eau liée au climat dans les Landes au mois de juillet, par exemple ? Quels sont les besoins hydriques d'une culture de maïs en juillet dans cette région ? Quelles seront les conséquences au niveau de la production si les besoins en eau sont ou ne sont pas satisfaits ? Quelle culture choisir et quelle surface lui attribuer sur l'exploitation si les ressources en eau sont insuffisantes ? Préalablement à l'utilisation du logiciel, les élèves connaissent le rôle fondamental de l'eau pour une culture (de maïs en particulier). Ils savent que pour maintenir ou accroître les niveaux de production les agriculteurs ont recours à des cultures en mode irrigué qui peuvent avoir des conséquences sur l'environnement puisque les niveaux des nappes phréatiques baissent. C'est un problème d'actualité et les questions ne manquent pas : l'agriculteur peut-il maintenir ou accroître ses niveaux de production tout en exploitant raisonnablement les gisements d'eau ? Comment parvenir à une maîtrise de l'eau dans le respect de l'environnement ? La classe se trouve dans la situation du professionnel qui doit, en début de campagne, choisir un assolement, prévoir les modes de conduite (en irrigué ou à sec) compte tenu des nombreuses inconnues qui peuvent intervenir (le climat, les prix, etc.). Le logiciel est interrogé par l'enseignant ou par les élèves. Il joue le rôle d'un expert auprès duquel la classe obtient des réponses précises aux questions qu'elle se pose. L'exploitation des données météorologiques, pédologiques et biologiques issues du logiciel ainsi que l'élaboration des calculs des bilans hydriques sont effectués par les groupes en utilisant des outils complémentaires (grapheur et tableur). a. Les besoins en eau des plantes Quels sont quantitativement les besoins en eau des cultures ? En consultant les informations fournies par le logiciel, on peut établir que les besoins en eau dépendent : - des types de cultures : les besoins en eau des cultures d'été sont plus importants que ceux des cultures de printemps ou des cultures d'hiver. Les besoins en eau d'une culture de Maïs sont élevés : ils varient entre 472mm et 170mm soit 4720 m3/ha et 1700 m3/ha. Par contre les besoins en eau d'une culture de blé sont faibles : les besoins varient entre 190mm et 0mm soit 1900m3/ha (fig. 8). 496.7_ PARCELLE H I C M U E T T E -t-^t—i—i—i—t—J . I , ib 1 <7»> <78> (80) <S2> (I4> (83> <S&> (87) <88> <89) Scénario» cliwtiqu— 200.Q_ (76) (78) (80) (82) (84) (85) (86) (87) (88) (89) Fig. 8.- Les informations concernent des cultures installées sur un limon sableux profond : les demandes en eau d'irrigation sont établies à partir des données climatiques de 10 années. - de la texture du sol : les besoins en eau sont plus faibles sur un sol de type argileux ou argilo-limoneux que sur un sol limono-sableux. En travaux pratiques, l'élève va réaliser l'étude des propriétés physico-chimiques de quelques sols : texture, capacité de rétention de l'eau, réserve facilement utilisable par la plante (RFU). - du climat : en comparant les besoins des cultures en eau et les données météo contenues dans la banque de données on constate que les deux éléments pris en compte dans le bilan hydrique sont l'ETP et les pluies (fig. 9). Le bilan hydrique est excédentaire en hiver mais il devient largement déficitaire en été. Alors que les cultures d'hiver achèvent leur cycle de développement et ne semblent plus dépendre des apports d'eau, la demande en eau des cultures d'été est forte. DONNEES METEOROLOGIQUES DE L'ANNEE 1976 FOURNIES PAR LE NODULE GESTHETEO BU LOGICIEL LORA. STATION DE BLOIS. MOIS JANVIER FEVRIER • MARS PLUIES en m AVRIL MAI JUIN JUILLET AOUT SEPTEMBRE OCTOBRE NOVEMBRE DECEMBRE B Fig. 9.- Données 3 10 15 20 25 30 35 40 45 météorologiques. b. Les réserves en eau du sol Ces réserves peuvent-elles assurer les besoins des cultures en été ? Si les réserves pédologiques sont insuffisantes, quelles en sont les conséquences sur la production primaire ? La conduite de deux cultures, Maïs et Sorgho à différents régimes d'irrigation (100%, 80% et 60% de l'ETP) ou à sec montre que l'irrigation joue un rôle important sur l'augmentation et la régularité des niveaux de production. Cependant, les risques liés aux incertitudes climatiques peuvent être compensés en partie par l'irrigation ou bien en choisissant des cultures adaptées aux risques climatiques. Fig. 10.- La production de maïs est très dépendante des échanges d'eau entre l'hydrosphère et l'atmosphère. A sec, le déficit peut atteindre 35 quintaux par hectare. Placée dans les mêmes conditions climatiques et pédologiques, une culture de Sorgho est moins sensible au déficit hydrique. c. L'adéquation besoins-ressources Quels sont les modèles qui permettent à l'irrigant de gérer l'eau au niveau de l'agroécosystème ? Lorsque la capacité d'irrigation est limitée, on ne peut agir ni sur le sol ni sur le climat. En revanche, une mise en adéquation doit être envisagée entre les ressources et la demande en eau d'irrigation. Les élèves doivent donc définir un assolement et décider quelles cultures ils envisagent d'irriguer et quelles autres ne le seront pas. ^ Le problème est complexe : le logiciel propose deux solutions d'assolement qui prennent en compte les contraintes agro-climatiques et économiques de la situation concrète étudiée. Des graphiques permettent une analyse rapide des résultats. Pour chaque solution, ceux-ci concernent : la répartition des surfaces attribuées aux cultures sur chaque sol (fig. 11), les conduites d'irrigation et la part non irriguée pour chaque culture (fig. 12), le volume d'eau utilisé et les décades où la capacité d'irrigation s'est avérée limitante (fig. 13). MODELE ARGILO LORA : REPARTITION CALCAIRE LIMONO DES CULTURES ARGIL.PROF. PAR T!IPE LINON DE SOL. SABL.PROF. Fig. 11.- La répartition des surfaces attribuées aux cultures sur chaque sol et sur l'ensemble des périmètres irrigables. Fig. 12.- Recherche du meilleur assolement scénarios climatiques passés. BESOINS -volune -décades E N EAU d'eau où la D'IRRIGATION A en fonction des différents L'ETH. utilisé capacité s'est avérée liMi tante. PJPJ SORCHO [FT1 TOURNESOL DECADES LIMITANTES SEPT. Fig. 13.- Le volume d'eau utilisé et les décades où la capacité s'est avérée limitante. Ces quelques exemples donnent un aperçu de la richesse du logiciel qui fournit une approche globale du problème de l'eau au niveau d'un écosystème. Basée sur des données locales, cette approche constitue une situation pédagogique nouvelle particulièrement motivante pour des élèves de lycée. C. Nutrition animale : le logiciel DIETAL 1. Fonctionnalités Ce logiciel fournit une aide dans l'établissement d'un plan de rationnement des Vaches laitières. Parmi les différentes options qu'il propose, nous avons retenu celle qui concerne l'élaboration d'un rationnement équilibré pour les vaches en pleine lactation. L'élaboration d'un tel rationnement passe par quatre étapes : détermination de la ration de base (pâture ou fourrage), des apports en concentrés correcteurs destinés à équilibrer la ration de base, des apports en minéraux, des apports en concentrés de production destinés à ajuster l'alimentation à une production laitière donnée. L'aide à la décision est fournie par l'intermédiaire d'une simulation établie sur les fichiers d'aliments et les modèles élaborés par l'INRA (1988). A chaque étape sont visualisés sous forme de diagrammes, les effets de l'adjonction de tel ou tel aliment sur la production laitière. Lorsqu'une ration alimentaire est équilibrée pour un niveau de production donné, on peut voir comment évoluent les quantités de chacun des composants (fourrage, concentrés, etc.) pour différents niveau de production et apprécier le caractère réaliste ou irréaliste des objectifs ainsi fixés. 2. La nutrition en vue de la production de lait La production laitière est une production secondaire qui correspond à une transformation de matière végétale en matière animale. Au cours de cette transformation, la vache puise dans son alimentation des nutriments et de l'énergie ; elle produit du lait riche en glucides, lipides, protides, eau et divers ions. L'aliment utilisé, d'origine végétale, présente des caractéristiques chimiques très différentes de celles du lait. Pour expliquer ce fait, il est indispensable de connaître la physiologie digestive des digastriques et les mécanismes associés (digestion, fermentation, absorption) ainsi que le fonctionnement de la glande mammaire (assimilation). En première S, ces notions sont acquises en cours d'année de manière dispersée et selon des optiques différentes : ainsi la digestion est surtout envisagée sous l'angle de la catalyse enzymatique et de la simplification moléculaire, l'assimilation sous l'angle du renouvellement biologique et de la mise en réserve, les fermentations sous l'angle énergétique. L'utilisation du logiciel D I E T A L ne peut accompagner l'acquisition de ces connaissances, mais il permet de les réinvestir dans un nouveau contexte. Le programme normal des classes de première permet aisément d'introduire les connaissances préalables nécessaires. Ainsi, lors de l'étude des aliments des animaux, une analyse de la composition du lait est réalisée avec électrophorèse du lactosérum, et les notions de taux butyreux et de taux protéique (critères de qualité du lait) sont introduites. La relation entre régime herbivore et structure particulière de l'appareil digestif est esquissée. En revanche, les mécanismes physiologiques de la production laitière doivent être insérés spécialement en vue de cette utilisation. Bien qu'il s'agisse d'une application spécialisée, les concepts scientifiques impliqués ne sont pas hors de portée des élèves. Ils sont même intéressants dans la manière dont ils sont abordés : ainsi la valeur nutritionnelle de la ration est évaluée en quantité de lait permise (donc en termes de production secondaire). Cette dernière est elle-même déterminée en fonction de l'apport énergétique de la ration de l'animal (énergie investie dans la fabrication de lait) et en fonction des possibilités de protéosynthèse bactérienne qu'elle permet (aliments et énergie utilisables par les bactéries). L'inconvénient réside dans l'expression de ces paramètres qui utilise des normes correspondant à des pratiques (UFL, PDIN, PDIE etc.). De ce fait, l'exploitation du logiciel nécessite quelques connaissances sur les pratiques courantes dans un élevage. Dans l'élevage "hors-sol" par exemple, l'aliment de base est du foin ou de l'ensilage dont la composition est plus favorable à un équilibre alimentaire. Ces prérequis technologiques peuvent être ramenés à des connaissances minimales et aisément exprimés en termes biologiques. 3. La physiologie des ruminants La glande mammaire prélève dans le sang des substances nécessaires à la synthèse du lait : ces substances sont issues de l'alimentation. Cependant, des substances présentes dans l'alimentation de l'animal (herbe) sont absentes du lait (polyosides, matières azotées non protidiques) ; des substances présentes dans le lait à forte dose n'existent qu'à faible dose dans l'alimentation (oses, protéines, lipides, ions) (fig. 14). L'alimentation est riche en polyosides (cellulose), mais l'appareil digestif de la vache ne comporte pas les enzymes nécessaires à l'hydrolyse de la cellulose. Les apports alimentaires ne semblent donc pas de nature à couvrir directement les besoins liés à la production laitière. Dans ces conditions, d'où viennent les acides aminés à l'origine du lait ? D'où viennent les oses ? Les acides gras ? ANALYSE COMPAREE 0 ' UNE HERBE DE PATURAGE ET DU L A I T OSES DE VACHE POLYOSIDES PROTEINES (cellulose) (RA9-GRASS (teneurs NS N.AZOTEES non D'ITALIE) Z.) LIPIDES prot. IONS 3 _ Ca,P04 HERBE DE PATURAGE LAIT VACHE 150 401 38 9 1 376 0 256 e 296 9 DE Fig. 14.- Analyse comparée d'une herbe de pâturage du lait de Vache. 72 (Ray-grass d'Italie) et L'étude de l'organisation de l'appareil digestif de la vache, par les moyens classiques, révèle la présence des micro-organismes (Bactéries) qui colonisent la panse et le réseau. Les bactéries dégradent des protéines alimentaires et des matières azotées non protéiques (source de nutriments) ainsi que de la cellulose (source d'énergie) : il en résulte, d'une part, une intense protéosynthèse donc une multiplication bactérienne importante, d'autre part une production d'acides gras. Ainsi la panse apparait comme un fermenteur (fig. 15). Fig. 15.- L'activité bactérienne a pour résultat une intense multiplication une production d'acides gras. et Ce sont, entre autres, les produits issus de ce fermenteur qui sont absorbés et utilisés par la glande mammaire pour la production lactée : des acides aminés provenant de l'hydrolyse des protéines bactériennes au niveau de la caillette et de l'intestin, des acides gras stockés sous forme de glycogène dans le foie puis libérés dans le sang sous forme d'osés. Le devenir des ions dépend des quantités disponibles : si l'apport alimentaire est trop pauvre en Ca ou P, l'animal puisera dans les réserves de son squelette qui se fragilisera ; dans le cas contraire, les besoins seront couverts par les apports, tout excès de Ca ou P permettant même un stockage dans le squelette. L'énergie nécessaire à cette synthèse lactée provient de la ration alimentaire. Cette mise en place réunit les connaissances acquises à différents moments (composition des aliments, digestion, assimilation, stockage, production d'énergie, fermentation, etc.) et les intègre dans la compréhension d'un mécanisme global. On aboutit ainsi à la construction d'un modèle (fig. 16) qui fait le lien avec la nomenclature utilisée dans le logiciel. [FERMENTATION | (proteosyntnèse) Protéines — Alimentaires (hydrolyse) 4 ACIDES AMIBES feuillet caillette intestin I-+ACIDES GRAS Mat. Azotées —^1 non protéïques II PDIN * Protéines NE? PDIE Oses, ENERGIEK " Microbiennes Cellulose CIDES GRAS « —rIONS jABSORPTIOU sang UTILISATION DES NUTRIMENTS Ions:P04Hi,Cû< panse Squelette Ions Glucose Ac. gros Ac. Aminés IUFL I r glvcerol I P04HÎ 34 Hî Lactose Lipides Protide .Ca LAIT Fig. 16.- Physiologie digestive de la vache laitière. Glande mammaire Les nutriments (acides aminés et acides gras) nécessaires à la fabrication du lait proviennent de la multiplication bactérienne qui dépend : - de l'énergie issue de la cellulose disponible : PDIE exprime la quantité de protéines susceptibles d'être produites par la protéosynthèse bactérienne compte-tenu de l'énergie disponible. - des matières azotées disponibles : PDIN exprime la quantité de protéines susceptibles d'être produites par la protéosynthèse bactérienne à partir des matières azotées alimentaires. La production lactée nécessite de l'énergie ayant pour origine le glucose et les acides gras sanguins : UFL exprime l'énergie à la disposition de l'animal pour la production lactée (1 UFL = 7230 KJ ). L'objectif du travail est d'arriver à l'optimisation de la production laitière c'est-à-dire l'obtention d'une production maximale au moindre coût et le maintient de l'équilibre physiologique de la vache. Les élèves doivent avoir une idée précise de la situation dans laquelle il vont se placer : la visite d'une exploitation de production laitière ou le visionnement d'un document vidéo donnent un aperçu des principes de l'élevage, de la nature et de la destination des installations, des différents types d'aliments utilisés (foin, ensilage, déshydratés, etc.) 4. Le rationnement en stabulation libre Dans une situation d'élevage en stabulation libre, comment obtenir la production laitière la meilleure possible ? Les élèves, en utilisant le logiciel, doivent atteindre plusieurs objectifs qui correspondent aux étapes de l'établissement du plan de rationnement formulées en termes biologiques. a. La valeur nutritive des aliments Tous les fourrages ont-ils la même valeur alimentaire ? Il s'agit de comparer la valeur nutritive de quelques fourrages à travers les productions laitières permises. Les résultats sont notés dans un tableau. On peut ainsi déterminer pour les aliments testés, le ou les facteurs qui limitent la production. On constate qu'un aliment naturel ne permet pas d'équilibrer la ration alimentaire (fig. 17). RATION DE BASE Ensi lage de riaïs CONCENTRES C X MB U 99 MS BRUTE Lait 1 11.3 42.15 UFL PDIN PDIE PDIA P Ca 9 4 7 5 5 1 3 5 7 9 i UFL PDN PDE QTE INTERPRETATION UFL:production de l a i t pernise par l'énergie de la ration soit 9 1 . PDIN: NINERAUX QTE /g 41 et PDIE: 71. déséquilibre entre les Matières azotées et Ténergie disponible pour la protéosynthèse. < facteurs 1iMitants) Fig. 17.- Première étape du rationnement d'une vache laitière. L'aliment est fourni à volonté "v", c'est de l'ensilage de maïs. Si la part énergétique de la ration (UFL) permet d'espérer une production de 9 litres de lait, la multiplication bactérienne dans le fermenteur limite cette production à 4 ou 7 litres (les matières azotées ou PDIN et l'énergie disponible PDIE jouent le rôle de facteurs limitants). Le déficit en éléments minéraux n'est pas préoccupant, l'animal pouvant puiser dans les réserves minérales de son squelette. On aboutit ainsi à un aliment de base (ou à une association d'aliments de base) présentant le meilleur équilibre nutritionnel. Le plus souvent, le facteur limitant est constitué par le déséquilibre entre les protéines et les matières azotées disponibles pour les bactéries (PDIN) et l'énergie dont elles disposent (PDIE). Il faut avant tout optimiser la protéosynthèse en équilibrant les apports à destination des micro-organismes. b. Equilibrer les apports alimentaires L'aliment de base ayant été choisi, il faut apporter un complément à l'alimentation sous forme de concentré correcteur : le choix s'opère de manière raisonnée à partir de fiches de composition des aliments mis à la disposition des élèves. n° 355 616 677 64 505 1 5 21 20 641 714 Cat E C T V F D X A M S N NOM MS ensdac l e ep 19.6 orge 86.9 tourt soja 87.8 dactyle épi 16.7 foin dac épi 88.0 mél soja orge 86.3 ts orge craie 85 coopdor lacto 87 ucaphos 100 drêches brass 22 urée 98 UFL PDIN PDIE 0.81 72 1.00 69 1.04 341 0.83 90 0.72 83 0.98 133 0.98 132 1.00 160 0 0 0.92 223 0 1443 60 89 231 86 84 127 120 150 0 189 0 PDIA P 18 26 182 32 35 69 63 110 0 156 0 3 4 7 3 3 3 4 6 140 6 0 Ca 3 1 3 3 3 15 11 12 140 3 0 etc.. CATEGORIES V: vert et pâture F: foin E: ensilage R: racine P: paille C: céréales D: déshydratés T: tourteau X: mélange ferme A: alim commerce M: minéraux S: sous-produit N: azote non NATURE mat.vég. fraîche (pré) mat.vég. séchée mat.vég. fermentée mat.vég. fraîche mat.vég. séchée mat.vég. séchée mat.vég. déshydratée reste de végét traités utilisation fourrage fourrage fourrage fourrage fourrage fourrage concentré concentré aliments industriels concentré minéraux concentré concentré urée Fig. 18.- Extrait d'une fiche de composition Unité kgMS kgMS kgMS kgMS kg MS kg MB kg MB kg MB kg MB kg MB kg MB kg MS kg MB d'aliment PDIA : désigne la quantité de protéines d'origine alimentaire bactérienne) utilisable pour la production lactée. (et non MS : Masse sèche, MB : Masse brute. Le logiciel calcule la quantité de concentré nécessaire à l'équilibre PDIN/PDIE et UFL. Les résultats (sous forme d'histogramme) sont pris en note (fig. 19). Le plus souvent un déséquilibre subsiste au niveau minéral. RATION DE BASE MB 'A E n s i l a g e de n a ï s MS 99 CONCENTRES T o u r t e a u de s o j a BRUTE Lait 9 42.15 UFL PDIN PDIE PDIA P Ca 15 16 15 11 H 3 15 PDE QTE INTERPRETATION *B4 341 : E q u i l i b r e de l a r a t i o n p a r I ' a p p o r t de T o u r t e a u F o r t d é f i c i t en Minéraux HINERAUX l'anirtal prélève sur son squelette QTE / g EQUILIBRE : 15,3 litres Fig. 19.- Deuxième étape de l'équilibration de la ration alimentaire de la vache laitière : choix de concentrés correcteurs (le critère retenu est un équilibre entre PDIN et PDIE). c. Eviter le prélèvement sur le squelette L'apport d'un concentré minéral est optimisé par l'ordinateur à partir des minéraux disponibles dans un fichier. A ce stade, l'équilibre alimentaire est obtenu pour une production de lait relativement faible. Il faut donc accroître cette production. d. Accroître la production lactée Pour cela, il faut augmenter les apports alimentaires sans rompre l'équilibre établi. On utilise un "concentré de production" dont le choix s'opère aussi de manière raisonnée à partir de la fiche de composition des aliments (fig. 20). RATION DE BASE E n s i l a g e de n a ï s A MB 99 MS BRUTE Lait 29 11.31 4 2 . 1 5 UFL PDIN PDIE PDIA P Ca 30 37 35 25 49 48 31 33 35 37 CONCENTRES T o u r t e a u de s o j a 341 1231 1.52 INTERPRETATION Coopdor 160 150 6 . 1 8 - E a u i l i b r e de l a r a t i o n p a r l ' a p p o r t de Minéraux. lactopic : - A j u s t e H e n t à un n i v e a u de production par l ' a p p o r t d' concentré. HINERAUX QTE / g Ucaphos 14 14 3 51 EQUILIBRE Fig. 20.- Choix d'un concentré de production. 35 litres Bilan : Une synthèse des résultats peut-être effectuée sous la forme d'un histogramme cumulatif des productions de lait permises par les différents composants de la ration. Cette construction est établie a la main ou à l'aide d'un grapheur (fig. 21). RATKUtCNEMT D'UNE VACHE LAITIERE : PRODUCTION DE LAIT PEKHISE . LAIT PERHIS (titras) Fig. 21.- On visualise ici le déséquilibre des apports liés à la ration de base, l'intérêt du concentré de correction, la nécessité du concentré minéral. Le concentré de production élève la production lactée et permet une mise en réserve de substances minérales. 5. La nutition au pâturage L'alimentation de l'animal au pâturage permet-elle une production laitière du même ordre qu'en stabulation ? Nécessite-t-elle des compléments alimentaires ? Le travail est une application du problème précédent. On impose la nature de la pâture (Dactyle) et son stade de végétation (1er cycle épiaison). On constate que si la pâture permet un équilibre, un complément énergétique et minéral doit être apporté pour obtenir une production laitière convenable. RATION DE B A S E Dactyle é p i a i s o n C u 'A MB 99 lis BRUTE Lait 15,1 98,49 UFL PDIN PDIE PDIA P Ca 11 13 15 19 18 10 4 e Fig. 22.- La production laitière d'un animal au pâturage. 15 17 19 a. L'évolution de la prairie dans le temps La période de consommation d'un fourrage en pâture est-elle indifférente ? A travers le fichier d'aliments, les élèves sont confrontés à des faits : la prairie évolue dans le temps (cycle de végétation). Y-a-t-il une période plus favorable à l'alimentation de l'animal ? Y-a-t-il des inconvénients ou des risques à certaines périodes ? (fig. 23). épiaison JUIN Fig. 23.- Les deux cycles d'une Graminée pluriannuelle : le premier cycle comporte la montée des tiges et leur fructification. Le second cycle et les suivants sont purement feuillus. Il suffit de collecter les informations uniquement pour la ration de base et de réaliser une comparaison, par exemple à l'aide d'une représentation graphique. On constate que la période de consommation du fourrage en pâture n'est pas indifférente : - En début de cycle (Dactyle feuillu), l'apport énergétique du fourrage est important (UFL=30) en rapport avec l'énergie fournie par l'aliment ; celui-ci étant peu encombrant, l'animal en ingère davantage, mais il y a un risque d'accumulation de N H 3 (qui ne peut-être réutilisé par la protéosynthèse) avec transformation en urée par le foie (d'où fatigue et intoxication). - En milieu de cycle (Dactyle épiaison), l'apport énergétique est plus faible (UFL=15), mais l'équilibre P D I N - P D I E est convenable. On peut penser qu'il s'agit de la période favorable. - En fin de cycle (floraison), l'apport énergétique est faible (UFL =5) et il y a un déséquilibre P D I N - P D I E . La période est moins favorable. La fauche est conseillée. La période de consommation du fourrage fait donc intervenir l'énergie apportée, sa composition (PDIN-PDIE), son encombrement (quantité ingérée par l'animal) (fig. 24). CyCLE OU DACT9LE ET UoLEURS NUTRITIONNELLES IC Fe |U UFL I C Ep H IC Fl MS I n g . 2C Re fJ|Pl)IN * 3C Re 100 | | . 4C Re PDIE * 190 Fig. 24.- Cycle du Dactyle et valeurs nutritionnelles pour la Vache laitière. b. La valeur alimentaire des fourrages - Tous les fourrages ont-ils la même valeur alimentaire ? La comparaison Fétuque - Dactyle (1er cycle) montre que la Fétuque ne permet pas une production laitière aussi importante que le Dactyle ; par contre sur le plan de la production primaire, elle a une productivité record. - Le mode de récolte et de conservation du fourrage intervient-il sur sa valeur alimentaire ? 4 On compare un ensilage de Dactyle (fin épiaison = période de fauche) au Dactyle au même stade en pâture : l'aliment ensilé correspond à une production permise plus faible, malgré une teneur en UFL plus élevée (l'encombrement étant plus important, l'animal en ingère moins). On compare un Foin de Dactyle (1er cycle épiaison = période de fauche) à un ensilage de Dactyle = le foin permet une production laitière plus importante (malgré une teneur en UFL plus faible) : l'animal en ingère davantage. La comparaison de Foin de Dactyle (1er cycle épiaison) à une pâture de Dactyle épiaison montre que la quantité de lait permise est légèrement inférieure avec l'utilisation du Foin. En conclusion, on établit que l'animal en pâture a une alimentation favorable à la production laitière, mais cette période favorable est limitée le temps. L'utilisation d'un fourrage conservé (ensilage, foin) permet alimentation constante dans ses caractéristiques mais impliquant complémentation. III. plus dans une une SYNTHESE Dans le cadre d'un enseignement général, mettre l'élève en situation de recherche et d'expérimentation sur le thème de la production secondaire est difficile : on peut présenter des applications technologiques (visites d'élevages, de laboratoires de recherche, visualisation de documents) mais l'élève reste spectateur. Le logiciel professionnel traite des données réelles et simule des phénomènes basés sur des mécanismes biologiques déterminés. Les interprétations quantitatives et qualitatives référées à des normes (sencées être fondées et fiables) assurent une bonne crédibilité du travail. La situation est aussi plus motivante : grâce aux fichiers intégrés au logiciel, il est aisé de dépasser l'approximation des résultats des travaux pratiques et de poursuivre un travail plus approfondi sur des données plus précises. 4 Lors de la "mise en conserve" de l'herbe, il y a une perte élevée de la valeur fourragère. Outre les pertes liées à la méthode de collecte, on doit considérer les pertes par respiration (la plante fauchée continue à vivre tant que sa teneur en eau est supérieure à 35%) et les pertes dues à la pluie (des constituants solubles très digestes sont lessivés). L'ensilage est la conservation d'un fourrage par l'acide lactique élaboré par voie microbienne (fermentation en mode anaérobie) à partir des sucres qu'il contient. Dans la conservation des fourrages par voie sèche (les foins), le principe est de ramener la teneur en eau de l'herbe à 15% et au dessous afin qu'elle se conserve sans fermentation. La dessiccation peut-être obtenue par exposition au soleil, à l'air ou par ventilation. Nous avons montré sur trois exemples le parti pédagogique que l'on peut tirer de tels logiciels. Il convient de noter cependant, que leur exploitation dans l'enseignement n'est pas immédiate, pour plusieurs raisons. D'abord, il s'agit de logiciels spécialisés qui manipulent de ce fait des savoirs scientifiques ou techniques qui ne sont pas de pratique courante. Il faut donc accéder d'abord à une bonne maîtrise des modèles et des techniques sous-jacents à leur conception. La collaboration de nos collègues de l'enseignement agricole a été déterminante sur ce plan. Il convient en second lieu de procéder à une sélection des fonctions qui cadrent le mieux avec les objectifs et les méthodes d'enseignement. Ce sont en premier lieu les fonctionnalités qui expriment et traitent des problèmes biologiques qui nous intéressent, ce qui ne constitue parfois qu'une petite partie du logiciel. Lorsque le logiciel est de bonne facture technique, ceci peut ne pas être gênant dans la mesure où on peut travailler de manière indépendante sur l'un ou l'autre module du logiciel Les logiciels anciens sont dans l'ensemble assez lourds, alors qu'un logiciel comme LORA, à menus déroulants, peut être aisément pris en main. Dans tous les cas, il a été indispensable de préparer à l'usage des élèves des notices-guides pour faciliter le repérage des fonctions et des traitements utiles Le troisième élément qui nous a freiné dans l'exploitation de tels outils est leur accessibilité économique. Dans le domaine agricole, les logiciels d'aide à la décision sont assez chers, compte tenu de la capacité d'achat d'un établissement d'enseignement général (Le prix d'achat de versions multiples d'un logiciel professionnel agricole est tout simplement prohibitif : près de 1700 F . l'exemplaire pour le logiciel D I E T A L ) . C'est pour cette raison d'ailleurs que dans l'enseignement agricole, les établissements scolaires sont affiliés à un réseau géré par le C N E R T A , et bénéficient, à des conditions avantageuses,.des produits mis à la disposition de cet organisme par les professionnels. En ce qui nous concerne, la Société ISAGRI a accepté de nous prêter huit exemplaires du logiciel I S A F U M U R E pour effectuer le travail d'analyse relaté ici. Nous n'avons pas pu bénéficier de prêts similaires auprès des autres concepteurs. Comme tout produit informatique, les progiciels agricoles ont une durée de vie très courte s'ils ne bénéficient pas de mises à jour. De plus, compte-tenu de la complexité des modèles qu'ils intègrent et de l'évolution des connaissances scientifiques, certains sont retirés du marché. A la date d'achèvement de ce rapport (novembre 1992), les progiciels I S A F U M U R E , D I E T A L et L O R A sont toujours proposés par les distributeurs. BIBLIOGRAPHIE - J.M. ATTONATY : La gestion et les nouveaux moyens informatiques. (INRA Annales de Gembloux 1985). - J.M A T T O N A T Y - P DELPECH : Un programme de formules d'aliments (Revue Aliscope.Elevage et alimentation animale Editions Corel mars - avril 1987). - N. SALAME, A. BARRERE, J.BARRERE, JY.DUPONT, B.MOULIA. : Using décision making software in natural science teaching, 7th International conférence on Technology and Education, Bruxelles, 1990. - Progiciels agricoles pour micro-ordinateurs, Association de Coordination Technique Agricole, Paris, 1989, 1992. - SOLTNER : Les bases de la production végétale (T 1 : le sol). Collection Sciences et techniques agricoles, 1988. - SOLTNER : Les grandes productions végétales. Collection Sciences et techniques agricoles, 1988. - SOLTNER : L'alimentation des animaux domestiques. Collection Sciences et techniques agricoles, 1988. - R. JARRIGE : Alimentation des bovins, ovins, caprins, INRA ,1988. - CRZV Theix : Alimentation des ruminants. Révision des systèmes et des tables. INRA. Bulletin Technique n° 70,1987. ANNEXE 1 Logiciels d'aide à la décision pour la production animale et pour la production végétale MENUALI - Objectifs : Enregistrement direct de la composition de rations dans le but d'un suivi. Vérification et optimisation de la composition d'une alimentation pour bovins et détermination du coût. Tenue d'un stock d'aliments. - Description : Trois cents aliments sont répertoriés répartis en 15 catégories (fourrages, pailles, ensilages, concentrés, etc.). Les besoins nutritifs sont définis pour 10 catégories d'animaux et sont exprimés en fonction du gain de poids vif recherché (en g/j) pour les animaux à l'engraissement ou en fonction de la période de lactation pour les vaches allaitantes. L'optimisation de la ration est effectuée à partir de 2 fourrages et de 2 concentrés. - Date de création : 1980. - Concepteur : Contrôle laitier de la CAIAC (Côte d'Or) Frocl Bourgogne 3 rue Jules Rimet 89400 MIGENNES ALIPORC - Objectif : Vérification de la composition d'une alimentation de porcs en élevage et détermination du coût. Elaboration d'une alimentation équilibrée et optimisation. - Description : Une quarantaine d'aliments sont répertoriés ; le logiciel définit les caractéristiques de la matière première (teneur en masse sèche, cellulose brute, énergie digestible, matières azotées totales et acides aminés secondaires). Les besoins nutritionnels sont définis pour 10 catégories d'animaux. Comptetenu de la catégorie d'animaux à nourrir et des matières premières à intégrer à l'alimentation, le logiciel calcule la composition du complément azoté minéral et vitaminique et d'une céréale pouvant compléter le mélange. - Date de création : 1984. - Concepteur : Institut technique du porc (ITP) La Motte au Vicomte BP 3 35650 LE RHEU Institut des techniques céréalières et fourragères (ITCF). PORFAL - Objectif : Calculer au moindre coût des formules ou des rations alimentaires en recherchant la combinaison de matières premières (ou aliments) la plus économique pour couvrir les besoins nutritionnels d'une catégorie d'animaux. - Description : Les matières premières (betteraves, luzerne, tourteau de soja, phosphate bicalcique,...) sont définies par leur nom, leur prix et leur composition en nutriments. On appelle nutriment toute caractéristique d'un aliment (composition chimique, son taux de masse sèche, l'énergie potentielle qu'il renferme). Les besoins alimentaires qualitatifs et quantitatifs sont définis par le nutritionniste. - Date de création :1983. Mise à jour : 1990. - Concepteur : Institut technique du porc (INRA). DIETAL Matériel : Compatibles PC. Disque dur de 20 Mo. Mémoire centrale 640 Ko. Date de création : 1988. Mise à jour : 1991. Concepteur : FROCL BOURGOGNE. Distribiteur : UCAGIC F O R M U L E BLE - Objectif : recherche d'une variété de blé adaptée aux conditions agroclimatiques, recherche de traitement (propose un désherbant adapté, un fongicide, ...), calcule une dose d'engrais azotée. - Date de création : 1989. - Concepteur : Institut des Technique Céréales et des Fourrages (ITCF). La Jaillère La Chapelle Saint Sauveur 44370 VARADES LORA - Matériel : Compatibles PC. Disque dur de 20 Mo. Mémoire centrale 640 Ko. - Date de création : 1990. - Concepteur - Distributeur : Lora a été conçu par l'INRA et par l'ITCF. ISAFUMURE - Matériel : Compatibles PC. Disque dur de 20 Mo. Mémoire centrale 640 Ko. - Date de création : 1985. Mise à jour : 1991. - Concepteur - Distributeur : SAGRI / Service commercial. Rue Pierre Waguet BP 313 60026 BEAUVAIS. SUIVI MULTIPARAMETRE DE MILIEUX BIOLOGIQUES COMPLEXES EXEMPLE : LA FERMENTATION G. Chambon, G. Orsini, P. Faure, J.F. Schmit L'équipe est particulièrement redevable à : - M. MARC, Ecole Nationale Supérieure de l'Industrie Chimique, Nancy Le Lycée Antoine de Saint Exupéry de Fameck est Jumelé avec l'entreprise PIERRON, à Sarreguemines, qui a apporté son soutien technique à ce projet. SUIVI M U L T I P A R A M E T R E DE MILIEUX BIOLOGIQUES COMPLEXES EXEMPLE : LA FERMENTATION 231 G. Chambon, G. Orsini, P. Faure, J.F. Schmit I. LES ASPECTS PEDAGOGIQUES A. Les savoirs 1. En biologie 2. En chimie 3. En physique B. Les savoir-faire II. LE SUIVI TECHNIQUE D'UNE FERMENTATION A. Dans l'industrie 1. Les fermenteurs 2. Les capteurs 3. Les échantillonneurs 4. les dosages B. Dans l'enseignement 1. Les matériels disponibles III. MISE AU POINT DES EXPERIENCES A. Contrôle des conditions de pH et de température 1. Essai 1 à température ambiante 2. Essai 2 à une température plus élevée B. Régulation du pH et de la température C. Dosages du glucose D. Dosages de l'alcool IV - MISE EN OEUVRE D A N S LES CLASSES A. Séquence d'initiation 1. Objectifs 2. Principe du T.P. 3. Résultats B. Séquence de transfert 1. Principe du T.P. 2. Protocole expérimental 3. Consignes 231 232 232 233 233 234 234 234 234 234 235 235 235 235 236 237 238 239 241 241 242 243 243 243 243 244 244 244 244 245 V. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES 246 ANNEXE 248 SUIVI MULTIPARAMETRE DE MILIEUX BIOLOGIQUES COMPLEXES EXEMPLE : LA FERMENTATION Une des principales caractéristiques du monde vivant est la multiplicité des paramètres pour chaque phénomène biologique. Les techniques classiques d'expérimentation dans le secondaire ne permettent d'en suivre que quelques uns avec un nombre de mesures réduit. L'expérimentation assistée par ordinateur ( E . X A . O ) , qui réalise le couplage d'une interface en liaison avec les paramètres d'un milieu et d'un micro-ordinateur, constitue un outil de choix pour repousser les limites de l'expérimentation. Pour des élèves et pour de nombreux adultes, la représentation des sciences dans l'enseignement secondaire, est caractérisée par un cloisonnement disciplinaire. La réalité industrielle montre une collaboration indispensable et étroite entre diverses disciplines. Nous avons décidé de travailler sur le suivi d'une fermentation pour une production de boisson (la bière, par exemple) en relation avec un laboratoire de biotechnologie à l'Ecole Nationale Supérieure de l'Industrie Chimique de Nancy. I. L E S A S P E C T S PEDAGOGIQUES Les objectifs que nous nous sommes fixés sont les suivants : - établir de manière interdisciplinaire la liste des savoirs et des savoir-faire que ces suivis peuvent apporter pour les élèves tant en physique-chimie qu'en biologie-géologie, - étudier le transfert de suivis de milieux biologiques réalisés en recherche ou dans l'industrie et rendre le transfert possible dans les travaux pratiques, avec les moyens techniques, matériels et humains des lycées. A. Les savoirs 1. En biologie Les fermentations sont actuellement aux programmes dans le cadre des problèmes énergétiques et biotechnologiques. - L'énergétique : Une fermentation est une dégradation incomplète de glucose limitée à la glycolyse qui permet la formation d'ATP et de molécules organiques résiduelles contenant encore de l'énergie chimique potentielle. Les différents types de fermentations sont classées en fonction de la molécule résiduelle : fermentation alcoolique, butyrique, lactique, etc. C'est un aspect complémentaire de la notion de respiration et de métabolisme, au niveau cellulaire. - Les biotechnologies et le génie biologique : La plupart des fermentations sont réalisées grâce à des micro-organismes. Celles-ci sont utilisées pour des productions industrielles très anciennes comme le secteur des boissons alcoolisées et celui des fromages et yaourts. Le développement de l'étude des micro-organismes et du génie génétique a permis d'autres applications : valorisation de déchets et de sous-produits agricoles ou industriels, production de biomasse, production industrielle de molécules utiles à l'homme (vitamines, antibiotiques,...), étude des problèmes d'environnement (pollution par les pétroles,...). Les notions purement biologiques liées aux micro-organismes sont également très intéressantes : classification, description, fonctions de relation, de nutrition, de reproduction, etc. - Les autres applications : Actuellement, seule l'étude du fonctionnement musculaire fait mention de la fermentation lactique, et encore seulement dans son aspect de production d'énergie utilisable. Un certain nombre de notions souvent très théoriques peuvent tout de même être abordées par les fermentations : - Les problèmes de régulation constituent le premier exemple : on peut faire comprendre "en direct" aux élèves les notions de voie sensitive et voie motrice, récepteur et effecteur, centre de régulation, système de contrôle et de rétrocontrôle. - L'illustration de la complexité d'un milieu. On peut montrer l'influence des modifications d'un paramètre sur un ensemble de facteurs d'un milieu biologique. C'est ainsi que l'on peut aborder les notions de seuil, de facteur limitant, de carence, de toxicité, de facilitation, de synergie, etc. - Le troisième exemple concerne les modes de vie d'un ensemble très important d'organismes mal connus des élèves, les micro-organismes, et des développements sur la notion de cellule. 2. En chimie Les fermentations sont inscrites au programme dans le cadre des problèmes suivants : - Les réactions chimiques : une des caractéristiques fondamentales d'une réaction chimique concerne sa cinétique qui est difficilement visualisable en T.P. Le suivi informatisé d'une fermentation, qui est une réaction sur plusieurs heures peut combler cette lacune. Les réactions biologiques utilisent systématiquement des enzymes. La notion de catalyse enzymatique est un point très important dans notre étude. Elle permet d'aborder les problèmes de fonctionnement des catalyseurs en fonction des différents paramètres de la réaction. Le contrôle d'une réaction et la régulation, par exemple, du pH et de la température permettent une approche nouvelle de ces notions. - Le suivi d'une réaction : ce suivi peut être effectué soit en direct avec des capteurs, soit en différé grâce à des prélèvements. A chaque fois cela suppose le choix des paramètres à suivre et des méthodes de dosage et de mesure à utiliser. On peut ainsi aborder les notions de dosage, d'oxydation du substrat et les problèmes liés à l'identification des espèces biochimiques. 3. En physique Les notions liées aux fermentations appartiennent au domaine énergétique : bilan énergétique d'une réaction, réaction endo et exothermique, réactions d'oxydo-réduction. D'autre part, les techniques utilisées vont permettre d'illustrer l'usage des spectres d'émission et d'absorption de solutions colorées. B. Les savoir-faire L'étude des fermentations permet l'apprentissage dans des conditions relativement faciles d'un nombre important de techniques concernant : - La méthodologie expérimentale - suivre un protocole expérimental, - suivre des consignes, par exemple faire des mesures, - travailler avec soin et précision. - Les techniques d'observation - utiliser le microscope (observation des micro-organismes), - utiliser la loupe binoculaire, - faire de la numération de cellules. - Les techniques de base du laboratoire : - utiliser de la verrerie et des instruments (pipette jaugée, propipette,...), - élaborer et réaliser un milieu de culture, - effectuer des dosages, - manipuler en conditions stériles. - Les technologies nouvelles au service du laboratoire - utiliser les techniques d'E.XA.O. : capteurs, mesures, etc. - contrôler un milieu réactionnel. II. LE SUIVI TECHNIQUE DUNE FERMENTATION A. Dans l'industrie Les laboratoires qui travaillent sur les fermentations pour des boissons alcoolisées ont pour objectif de produire des boissons standards que le public va apprécier. Ils disposent de techniques adaptées qui vont nous servir de modèle : l'informatique y est utilisée pour rendre les réactions complexes optimales de telle façon que le rendement soit le plus important possible dans le cadre d'une production standardisée et économiquement viable. 1. Les fermenteurs L'industrie utilise deux types de fermenteurs : - des fermenteurs en discontinu constitués par une cuve qui est mise en fermentation le temps nécessaire à la transformation du substrat initial, - des fermenteurs en continu qui sont alimentés par un substrat dont sort en continu le produit fermenté. Le problème le plus important est de travailler en milieu stérile afin de pouvoir effectuer des fermentations sur un temps assez long. Cela est plus facile dans le premier cas, en stérilisant tout au départ ,et demande plus de soins dans le second cas. 2. Les capteurs Le contrôle des procédés de fermentation se limite à la mesure d'un nombre limité de paramètres avec des capteurs classiques : pH-mètre, thermomètre, capteur de pression, débitmètre, spectrophotomètre. Ils permettent un suivi particulièrement précis des réactions dans le temps. 3. Les échantillonneurs Les capteurs en direct ne permettent pas de connaître la composition des gaz de fermentation ou du milieu réactionnel. Des techniques de prélèvement ont été mises au point afin d'effectuer ce suivi à l'aide de la spectro-photométrie. Le problème du prélèvement en cours de réaction dans un milieu stérile a ainsi été résolu. 4. les dosages Les dosages à partir d'échantillons prélevés dans le milieu de réaction vont permettre de doser certaines molécules organiques grâce à des réactions d'oxydo-réduction. Ces techniques remplacées par la spectro-photométrie devraient pouvoir trouver leur place au lycée, dans les années à venir. Il faut noter l'importance du pilotage informatisé qui va permettre grâce à des mesures en continu d'assurer une alimentation et un fonctionnement optimal d'un fermenteur continu dont les rendements sont évidemment bien supérieurs à un fermenteur en discontinu. B. Dans renseignement Il est bien sûr impensable pour un lycée d'utiliser des matériels industriels de par leur prix de revient. Cela n'est d'ailleurs pas nécessaire : nous n'avons pas besoin d'une précision importante. 1. Les matériels disponibles a. Les équipements informatiques et périphériques Nous disposons pour cette étude des différentes interfaces réalisées pour l'E.X.A.O. : avec sa gamme de capteurs, avec le réacteur biocell et un spectrophotomètre, - BOTENS (Jagot et Léon) avec oxymètre, - ORPHYS (MECACEL) avec oxymètre, - SMF10 (PIERRON) - E S A 0 3 (JEULIN) - BIO1000 (NORTEK). b. Les fermenteurs Nous avons acquis un fermenteur en verre de 1 litre avec lequel les premiers essais ont été réalisés. Par la suite, il s'est avéré que l'on pouvait travailler sans difficultés avec des récipients conventionnels nettement moins onéreux. Le problème de la stérilité indispensable dans l'industrie augmente le coût des matériels. Au lycée, les temps de fermentation seront réduits pour éviter ce problème. c. Les capteurs et effecteurs Parmi les capteurs existants, nous nous sommes limités à l'utilisation des sondes thermiques et d'une sonde pH. Pour les effecteurs, nous avons opté pour une résistance chauffante d'aquarium et une pompe péristaltique (voire une microburette automatique). d. Le milieu de fermentation Pour une fermentation d'une durée de moins de 8 heures, qui ne nécessite pas de conditions stériles, nous avons utilisé le milieu de composition suivante : - glucose 10 g/1, extrait de levure (source de vitamines) 0,5 g/1, sulfate d'ammonium (source d'azote) 5 g/1, phosphate monopotassique 2 g/1, sulfate de magnésium 1 g/1, chlorure de sodium 0,5 g/1, chlorure de calcium 0,1 g/1, eau distillée pour compléter à 1 litre. On ajoute 2 grammes de levure de boulangerie (en poids sec) pour un litre de milieu. Il faudra compter dans ces conditions une période de latence de quelques heures. La température optimale de fermentation est vers 30°C, le pH sera compris entre 4,5 et 5 unités pH. e. Les montages expérimentaux Dans un premier temps, on utilise le milieu réactionnel dans lequel plongent les capteurs : on se limite à enregistrer les données. Dans un second temps, on régule pH et température, ce qui implique des effecteurs et l'intégration de valeurs seuils. III. MISE AU POINT DES EXPERIENCES Les courbes ci-après montrent deux exemples de fermentations réalisées sans contrôle avec un simple suivi. Leur but est de se rendre compte de l'ampleur des problèmes de suivi. Ce type d'expérience devrait d'ailleurs suffire pour atteindre nos objectifs pédagogiques. Lors d'une fermentation de glucose en présence de levure de bière (Saccharomyces cerevisiae), on obtient une solution qui contient un grand nombre de types moléculaires dont les caractéristiques (exemple : la teinte) ne permettent pas un suivi simple avec un seul réactif et une seule réaction de coloration. Le bilan global de la fermentation alcoolique est le suivant : C6H1206—~>2 C2H50H + 2 C 0 2 + énergie On peut donc envisager de suivre cette réaction par la mesure du volume de dioxyde de carbone dégagé, par la production d'éthanol, ou par la variation de la teneur en glucose du substrat initial. Pour le volume de dioxyde de carbone, on peut soit le mesurer, soit suivre le pH de la solution qui est un reflet du dégagement de dioxyde de carbone (par l'acide carbonique). Pour permettre une fermentation optimale nous serons amenés à réguler le pH et donc nous ne pourrons alors que suivre la quantité d'alcool produite et la consommation de glucose. Ces mesures ne peuvent se faire que par des prélèvements dans le milieu de fermentation. A. Contrôle des conditions de pH et de température voie afférente" 6 Jf 6 ••••••••••• ••••••••••• ••••••••••• LEGENDE l Bain-marie + fermenteur * Sonde pH —i Sonde thermique V Agitateur 0 0 Interface 1 Clavier-ordinateur Fig. 1.- Premier dispositif expérimental utilisé lors des essais préalables. 1. Essai 1 à température ambiante On constate qu'en 4 heures (temps limité par le logiciel initial), le pH du milieu varie de 6 à 4,7 unités pH, soit une variation de 1,3 unités pH, c'est à dire une augmentation de 15 fois de l'acidité. Dans le même temps, La température a augmenté de 2°C, sans doute comme la température extérieure, facteur que nous n'avions pas pris en compte. La température a été un peu faible pour optimiser la réaction. La variation de pH nous montre la précision qui nous sera nécessaire pour réguler le pH. La durée de l'expérience semble insuffisante pour terminer la fermentation. jClroisir une touche: H,F,S,C,D.L.T,I/El Fig. 2.- Simple suivi du pH et de la température avec la première version du logiciel. 2. Essai 2 à une température plus élevée Nous avons tenté de travailler à une température supérieure, voisine de 30°C, en utilisant un agitateur magnétique chauffant. Sur la figure 3, la courbe supérieure sur le document des températures indique la température du milieu de fermentation, la courbe du bas celle de la pièce. On confirme le fait que la variation de température du premier essai était due à la variation de température de la pièce au cours de l'expérience. Il faut noter la forme de la courbe du haut qui illustre le mécanisme de régulation de l'agitateur magnétique. Le pH est passé de 7,8 à 6,3 unités pH soit une variation de 1,5 unités en 5 heures. La stabilisation au bout de 3 heures est à relier à la fin de l'utilisation du substrat, les réactions ayant été accélérées par la chaleur par rapport au premier essai. Fig. 3.- Fermentation conduite à une température voisine de 30°. Modifié, le logiciel permet d'enregistrer et de restituer simultanément les paramètres température et pH sur une période très importante (plusieurs jours) et de réguler ces mêmes paramètres après introduction de valeurs seuils. A partir de ces valeurs, l'interface active par un système de relais électromagnétiques, soit une résistance chauffante placée dans un bain-marie, soit une pompe péristaltique distribuant une solution de soude 0,1M ; une valeur supérieure inactive les effecteurs. » "voie afférente' L E G E N D E Î, Bain-marie + fermenteur * Sonde pH —i Sonde thermique V Agitateur 0 Interface 0 ± < Clavier-ordinateur Résistance ^ Pompe à galets » Soude 0,1 M Fig. 4.- Dispositif température. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 1 1 expérimental utilisé pour la régulation du pli et de la B . R é g u l a t i o n d u p H et de l a t e m p é r a t u r e Le nouveau logiciel est testé sur une période de huit heures, limite à partir de laquelle les problèmes de conditions stériles commencent. D'abord, les possibilités de régulation ne sont pas activées. Les résultats obtenus sont conformes à ceux obtenus lors de l'essai 1 : la courbe correspondant à la variation de pH présente la même pente. On teste ensuite la régulation du pH sur une durée de huit heures. La valeur seuil est fixée à pH=7. La fermentation est lancée sur une période de huit heures : la valeur du pH ne variant pas tout au long de l'expérience, le système de régulation est efficace, cependant seule une analyse des substrats et produits permettra d'en déduire l'action. On teste simultanément la régulation du pH et de la température sur une fermentation pendant huit heures (fig. 5). Les valeurs enregistrées sont sublinéaires, ce qui démontre l'efficacité du système de régulation, avec les mêmes réserves pour l'action sur le substrat. ~T 1 1 1 1 1 1 1 r- 50 100 150 200 250 300 350 400 450 ~1 1 1 i 1 1 1 . 100 150 200 250 300 350 400 450 Fig. 5.- Régulation du pH et de la température sur une période de 8 heures C. Dosages d u glucose Le dosage du glucose s'effectue par photo-colorimétrie : on utilise des bandelettes dont la coloration varie en fonction de la concentration en glucose. La coloration est évaluée par un colorimètre par rapport à un témoin étalon incorporé à l'appareil électronique : la valeur du taux de glucose est affichée en mg/1. D. Dosages de l'alcool On utilise le principe du dosage en retour : on oxyde l'alcool par un oxydant fort en excès de quantité connue (dichromate de potassium en milieu acide). La réaction n'est pas immédiate : une latence de 20 minutes est nécessaire. 2 3 C r 0 " + 14H+ + 6e- > 2Cr + + 7 H 0 3CH CH OH + H 0 > CH COOH + 4H+ +4e- 2 7 3 2 2 2 3 2 3 2 C r 0 - + 16 H+ + 3 CH CH OH- —> 3 CH3COOH + 4Cr ++ 11H 0 2 7 3 2 2 On peut constater que deux moles de dichromate de potassium seront réduites s'il y a 3 moles d'alcool oxydé en acide acétique (éthanoïque). Or un degré alcoolique correspond à 1 c m d'alcool pur pour 100 c m de liquide. 3 3 3 La masse volumique de l'éthanol est de 0,79 g/cm , donc 1 c m 3 contient 0,79 g d'alcool, soit 7,9 g/1. Une mole d'alcool a une masse de 46 g donc un degré d'alcool correspond à 0,17 mole/1 d'alcool, c'est à dire que cela nécessite 0,113 mole de dichromate de potassium pour l'oxyder. Cependant, dans le milieu réactionnel, le glucose peut aussi s'oxyder : il faut donc le séparer par distillation. On dose l'excès de dichromate de potassium par une solution de sel de Mohr : (FeS0 ,(NH ) S0 ,6H 0. 4 4 2 4 2 2 Fe + 2 Cr 0? -+14H+ + 6e2 2 2 C r 0 ? - + 6 Fe + + 14 H+ 2 3 > Fe + + e3 > 2 Cr + + 7 H 0 2 3 - — > 2 Cr + + 6 F e 3 + + 7H 0 2 La concentration en sel de Mohr étant 6 fois plus grande que celle du dichromate, lors du dosage du restant, le volume du sel de Mohr est égal au volume du dichromate restant, ce qui simplifie les calculs. De même, la concentration du dichromate (0,115 mol/1) est telle que 1 c m de dichromate oxyde 1 c m d'alcool. 3 3 Les dosages effectués traduisent une augmentation de la production d'alcool. Cependant le nombre limité d'expérimentations réalisées à l'heure actuelle nous oblige à une réserve sur les valeurs obtenues, tant les variations sont importantes. Comment cela peut-il s'expliquer. IV - MISE EN O E U V R E DANS LES CLASSES Le choix et le niveau de la séquence sont parfaitement ciblés : le thème des fermentations en classe de première S, avec une approche biologique et chimique. Cependant, afin que le travail pluridisciplinaire soit intégré le plus tôt possible dans les habitudes scolaires, une séquence d'initiation précédant la séquence principale est recherchée et débouché sur le choix de l'effet de serre, en classe de seconde. Pour mettre au point ces deux séquences un langage commun s'avère nécessaire. La recherche du vocabulaire commun utilisé en biologie-géologie et en physique-chimie sur les trois niveaux du second cycle est réalisée par les élèves (cf. annexe 1). A. Séquence d'initiation 1. Objectifs • Méthodes : le principal objectif est une initiation à l'utilisation d'une chaîne d'E.X.A.O. en physique-chimie et en biologie-géologie. La sonde thermique constitue un capteur simple utilisé dans les deux disciplines, qui ne nécessite aucun réglage ni étalonnage et qui donne des mesures absolues précises. Pour bien montrer à l'élève l'intérêt du poste informatisé, nous allons brancher deux sondes identiques, voire une sonde lumière. • Connaissances : dans le cadre du chapitre sur l'amélioration de la production primaire, on peut introduire les notions d'effet de serre. Il s'agit de faire prendre conscience aux élèves de la diversité et du nombre des paramètres agissant sur les cultures sous serre. On va également aborder des questions relatives à l'environnement. 2. Principe du T.P. Le principe est de suivre, en direct, l'évolution de la température à l'intérieur et à l'extérieur d'une serre miniature. Nous allons placer un capteur thermique dans la serre et un autre à l'extérieur. Chaque capteur est relié à l'interface qui va transformer les informations obtenues en valeurs utilisables par l'ordinateur. Ce dernier va traiter ces données et construire les courbes en fonction du temps. Une fois l'effet de serre mis en évidence, on pourra étudier un certain nombre de paramètres, en fonction du temps disponible et du matériel possible : influence du type de radiations, de la matière du couvercle de la serre, de la couleur du couvercle de la serre, de la surface sur laquelle repose la serre, etc. Un suivi de l'intensité lumineuse peut permettre de mieux quantifier l'influence de certains de ces paramètres. 3. Résultats La température dans la serre augmente plus qu'à l'extérieur : les rayonnements infrarouges sont piégés dans la serre, et plus une lampe aura un spectre riche en rayons infrarouges plus l'effet sera visible. La différence peut atteindre plus de 5°C en 10 minutes. L'étude des différentes couleurs du couvercle montre que certaines augmentent l'effet de serre. Il en est de même avec la couleur du sol de la serre. L'éloignement de la source lumineuse a pour effet de diminuer l'effet de serre. Une isolation thermique va limiter les pertes de chaleur de la serre et augmenter l'effet. L'application de cette expérience est évident pour l'amélioration de la production primaire. Remarque : attention à l'influence de la lumière du jour lorsqu'il y a beaucoup de soleil. B. Séquence de transfert 1. Principe du T.P. Le principe est de placer des levures dans un fermenteur, en conditions non stériles, et de suivre en fonction du temps les variations de paramètres biologiques et chimiques. Deux types de situations expérimentales sont prévus : • en l'absence de régulation de la température et du pH, • en présence d'une régulation de la température et du pH. Les résultats obtenus dans la première situation caractérisent la fermentation sur un plan qualitatif, le second dispositif représente la mise en place d'une biotechnologie et doit permettre d'apprécier son apport sur le plan quantitatif. Les élèves sont répartis en binômes auxquels on affecte une situation expérimentale régulée ou non. Au cours de la séquence, chaque élève effectue en alternance une quantification des paramètres biologiques (observation microscopique et dosage du substrat) et des paramètres chimiques (distillation du prélèvement et dosage de l'alcool). 2. Protocole expérimental Le but de cette manipulation est de suivre le développement des agents de la fermentation (levures), de quantifier les variations du substrat (glucose), de quantifier les transformations réalisées (alcool). Ces observations se feront sur une période de 8 heures, en absence de tout contrôle et en présence d'un système régulateur. Une séquence de T.P. étant de trois heures pour les deux groupes, il est judicieux d'échelonner le départ des fermentations de sorte qu'à la fin de la séquence on puisse avoir des résultats correspondant à chacune des huit heures et ce pour les 2 types de situations (cette méthode est plus facile à mettre en place si la séquence doit se dérouler sur un après-midi). Les résultats de tous les groupes sont reportés sur un tableau. La composition du milieu est celle précédemment indiquée. Pour chaque poste : - E X A O SMF10, logiciel ferment, sonde pH, sonde thermique. - 500 ml de substrat dans un bêcher et 1 g de levure (poids sec) à mélanger en respectant les indications de temps, - un bêcher de 100 ml, une pipette de 50 ml, un compte goutte, eau iodée, - un agitateur magnétique, - un microscope, lame à comptage, 4 bandelettes tests. Pour le (s) poste (s) régulé (s) : agitateur, bain-marie, thermostat, pompe péristaltique, soude 0,1M, branchements effectués au SMF10. 3. Consignes A chaque poste est affecté un binôme : une série de mesures biologiques est effectuée par l'un pendant que l'autre se charge des mesures chimiques ; après 40 minutes, on alterne de sorte que chaque élève réalise les deux types de mesures. Les résultats sont portés au tableau. - Mesures biologiques - noter les valeurs de la température, du pH, du temps écoulé depuis le mélange substrat-levure, - prélever une goutte de milieu, la déposer sur une lame à comptage et la mélanger à une goutte d'eau iodée, - observer au microscope et évaluer la densité de population des levures, - plonger une bandelette dans le milieu en fermentation, attendre 1 minute, - placer la bandelette dans le photo-colorimètre et noter la valeur indiquée (en g/1), - faire le schéma du dispositif expérimental. - Mesures chimiques (en salle de T.P. de chimie) - Dosages décrits précédemment. - Bilan - Inscrire dans un tableau les valeurs obtenues. - Comparer les résultats. - En dégager les apports des biotechnologies. V. C O N C L U S I O N S E T P E R S P E C T I V E S Nous n'avons pu tester l'exploitation pédagogique que sur une seule année, aussi les conclusions doivent-elles être manipulées avec prudence. 1. Sur le plan des savoirs et des savoir-faire, les indicateurs de réussite permettent d'évaluer une couverture des objectifs correspondant à 65 % des élèves en classe de seconde et à 70 % en classe de première. L'observation des comportements des élèves en situation a permis de constater que le professeur doit être très attentif aux protocoles expérimentaux proposés dans le T.P. d'initiation (tendance des élèves à faire varier simultanément plusieurs paramètres) et de bien surveiller la réalisation des dosages chimiques (obtention de valeurs très différentes) dans le T.P. de transfert. 2. Sur un plan pratique, la réalisation de ces séquences pédagogiques présentait quelques difficultés liées à la concordance des séquences de travaux pratiques en biologie-géologie et en physique-chimie et à la circulation des élèves entre les secteurs correspondants. En fait, l'emploi du temps, la structure de la salle d'Expérimentation Assistée par Ordinateur (8 postes équipés en interfaces et capteurs identiques), la localisation des secteurs (biologie au second niveau et physique au troisième niveau du même bâtiment), et l'habitude des enseignants des deux disciplines à travailler ensemble depuis quelques années furent des facteurs de réussite non négligeables. Un tel travail a permis élèves de montrer l'existence de liens étroits entre les sciences expérimentales enseignées et de découvrir des points de convergence masqués par la séparation institutionnelle et la tradition des disciplines. L'utilisation d'expériences assistées par ordinateur permet également de faire le lien entre l'enseignement théorique et l'enseignement expérimental. Cela favorise l'introduction de technologies plus modernes présentes dans toutes les industries depuis de nombreuses années. Cela va également dans le sens d'une appropriation instrumentale de l'informatique par les élèves. 3. Sur un plan plus technique, la conception et la mise au point du logiciel qui permet d'évaluer et d'agir sur deux paramètres est suffisamment simple pour pouvoir être adaptée à d'autres situations. Parallèlement à cette étude sur les fermentations nous avons adapté ce système au suivi et à la régulation d'un milieu aquatique. Ce milieu est représenté par un aquarium ouvert où nous enregistrons en permanence la température et le pH. Ces valeurs sont saisies par l'ordinateur et comparées a des valeurs de consigne, et l'action de régulation consiste à agir sur une résistance chauffante ou sur un ajout de gaz. Le dispositif est constitué d'une bouteille contenant du dioxyde de carbone sous pression, reliée à un détendeur muni d'une valve électromagnétique commandée par l'interface. L'action sur le dioxyde de carbone permet de réguler le pH et d'avoir une action fertilisante : ce travail est en cours et ses résultats nous semblent prometteurs. Une autre piste, nettement moins avancée, concerne le suivi et la régulation d'une mini-serre, suite cohérente au T.P. d'initiation. Trois paramètres seraient suivis : la température, le taux de dioxyde de carbone et l'intensité lumineuse. A partir du logiciel déjà utilisé, l'interface agirait, toujours à partir de valeurs seuils, sur un ventilateur chauffant ou sur une ouverture du toit pour réguler la température, sur un système utilisant le dispositif mis au point pour l'aquarium pour agir sur la concentration en dioxyde de carbone, la mise en place automatique de rideaux réfléchissants pour agir sur l'intensité lumineuse. La régulation de la teneur en dioxyde de carbone de la serre peut aussi être traitée en utilisant un transfert de méthodes industrielles : des contacts sont pris avec des professionnels du secteur. Ces projets, plus ou moins avancés, vont pouvoir s'exprimer pleinement dans le cadre de la rénovation des lycées. Les aspects méthodologiques seront développés dans les modules. Les aspects expérimentaux trouveront dans les options un terrain de prédilection ANNEXE 1 Vocabulaire Acide alcane avec radical acide susceptible de céder un proton. Acide éthanoïque acide basé sur le squelette carboné de l'éthane. Aérobie se dit d'organismes vivants en présence de dioxygène. Alcool alcane avec radical alcool. Aldéhyde composé organique (groupe fonctionnel -CHO). Amplitude différence entre deux maxima. Anaérobie se dit d'organismes vivants en l'absence de dioxygène. Autotrophe être vivant capable d'élaborer de la matière organique à partir de matière minérale. Bilan chimique comparatif entre les réactifs et les produits d'une réaction. Bioréacteur enceinte dans laquelle s'effectue des réactions biochimiques. Capteur dispositif permettant de transformer une grandeur physique en un signal électrique. Catalyse réaction facilitée par un catalyseur qui n'intervient pas dans l'équation. Champ électrique champ ou il y a concentration d'électrons. Combustion fait de brûler un élément pour savoir s'il contient du carbone ou de l'eau. Concentration terme qui définie la quantité d'un produit dans un autre produit, Densité l'eau. masse volumique d'un objet divisée par la masse volumique de Dialyse phénomène passif régissant la circulation des ions à travers une membrane. Ce phénomène se fait du milieu le plus concentré en soluté vers le milieu le moins concentré en soluté. Dioxygène association de deux atomes d'oxygène par liaison de covalence. Distillation procédé thermique consistant à séparer les constituants d'un mélange homogène. Dosage quantification de la proportion des différents corps d'une solution, Equilibre chimique équilibre entre les différents éléments chimiques d'une réaction, Estérifi cation réaction d'un alcool sur un acide pour donner un esther et de l'eau, Etalonnage réglage d'un appareil sur une valeur de référence, Ethanal aldéhyde basé sur le squelette carboné de l'éthane. Ethanol alcool basé sur le squelette carboné de l'éthane. Expérimentation suite d'expériences qui permet d'aboutir à un résultat positif ou négatif. Fermentation transformation de substances organiques sous l'influence d'enzymes produites par des micro-organismes. Fermenteur enceinte permettant de réaliser des fermentations. Fichier ensemble de données mises en mémoire. Fréquence nombre de périodes contenue dans une seconde. Gain rapport d'amplification d'un étage de récepteurs. Glucide substance caractérisée par la présence de formule C6H12O6. Glucose le sucre à 6 carbone le plus répandu. Hétérotrophe être vivant incapable d'élaborer de la matière organique à partir de la seule matière minérale. Hydrolyse destruction d'une molécule par des molécules d'eau. Interface appareil permettant de convertir des signaux électriques en signaux binaires, analysables par un ordinateur. Iode élément chimique de base. Ion atome qui a perdu ou gagné des électrons. Levure champignon microscopique unicellulaire hétérotrophe. Liaison covalente mise en commun des électrons dans une molécule pour avoir la structure du gaz inerte le plus proche (saturation de la dernière couche électronique). Liaison peptidique liaison qui lie deux acides aminés, avec perte d'une molécule d'eau par liaison. Lipide corps gras renfermant un acide gras. Logiciel système d'exploitation et d'affichage de données informatiques. Marquage pour déterminer l'origine des différents atomes d'une molécule, on "colle" un atome radioactif sur une molécule de départ, puis on suit son cheminement sur une pellicule photographique. Masse rapport de la quantité de matière sur la quantité d'espace. volumique Milieu espace gazeux ou liquide aux conditions physico-chimiques précises. Neutralisation réaction entre un acide et une base tendant à rendre un milieu. Organique résultat de la transformation de la matière minérale par la photosynthèse. Osmose phénomène passif régissant la circulation d'eau à travers une membrane. Ce phénomène se fait du milieu le moins concentré en solution (hypotonique) vers le milieu le plus concentré en solution (hypertonique). Oxydation une réaction d'oxydation correspond à une perte d'électrons. Oxydo-réduction lors d'une réaction d'oxydo-réduction, le réducteur le plus fort cède ses électrons et c'est l'oxydant le plus fort qui capte les électrons cédés par le réducteur fort. Oxygène élément chimique de base, également constructeur de la matière organique. Oxymètre instrument permettant la mesure du taux de dioxygène dans un milieu. pH nombre qui caractérise l'acidité d'une solution. Plus le pH est faible, plus le milieu est acide. Polymérisation assemblage de plusieurs motifs moléculaires qui donne une macromolécule. Pompe appareil destiné à déplacer un liquide, P o m p e à ion pompe qui envoie des ions. Prélèvement prise de matière effectuée d'un milieu à des fins d'analyse. Pression rapport existant entre une force et une surface. Protide substance azotée contenant des acides aminés. Proton nucléon qui fait partie du noyau et chargé positivement. Respiration au niveau d'un organisme, action d'absorber du dioxygène et de rejeter du dioxyde de carbone au niveau cellulaire. Dégradation complète d'une substance organique. R u p t u r e d e liaison c'est lorsque l'on brise une liaison de covalence entre différents atomes d'une molécule. Seuil de réaction point ou la réaction débute. Solution solution alcaline assurant la stabilité de l'équilibre acide-base. Mélange de différentes substances visant à assurer la stabilité du pH d'un milieu. tampon Spécificité Spectre d ' a b s o r p t i o n c'est l'ensemble des couleurs absorbées par un élément. Température Test une réaction est dite spécifique d'un élément si et seulement si le réactif agit sur un élément unique. quantité d'énergie libérée au cours de réactions exothermiques. d ' i d e n t i f i c a t i o n test qui permet de démontrer la présence d'éléments comme des ions, des glucides. LA TRANSMISSION DE L'INFORMATION DANS L'ORGANISME Logiciels de simulation en physiologie nerveuse M. Dreyer, J.C. Hervé, N. Salamé Nous sommes particulièrement redevables à : - MM. CREMEL, SARLIEVE, VINCENDON, Unité Neurochimie Normale et Pathologique (U44 de l'INSERM), Strasbourg - MM. SCHLICHTER, SELTZ, Institut de Physiologie, Université Louis Pasteur, Strasbourg - M. PENNEC, Laboratoire de Physiologie Animale, Université de Brest - M. d'ALCHE, Laboratoire de Biologie Animale et de Bio-informatique, Université de Caen LA TRANSMISSION DE L'INFORMATION DANS L'ORGANISME L o g i c i e l s d e s i m u l a t i o n en p h y s i o l o g i e n e r v e u s e 253 M. Dreyer, J.C. Hervé, N., Salamé I. L'EVOLUTION DES CONTENUS 253 IL LOGICIELS DISPONIBLES EN PHYSIOLOGIE NERVEUSE 255 A. Fonctions générales des logiciels 1. HHE 2. AXOVACS 3. NEUROSIM B. Fonctions communes, fonctions spécifiques C. Etude comparée de quelques résultats expérimentaux D. Autres logiciels disponibles O . ETUDE DU SYSTEME NERVEUX AVEC LE LOGICIEL NEUROSIM A. Problématique générale B. Prérequis des élèves C. Les étapes de la démarche 1. Le concept de potentiel d'action 2. La période réfractaire 3. Recherche des mécanismes ioniques à l'origine du potentiel d'action 4. Recherche d'explications aux caractéristiques essentielles du signal nerveux 5. Modalités de passage des ions Sodium et Potassium au cours du potentiel d'action 6. Introduction à la notion de canaux ioniques 7. La conduction du message nerveux 8. La transmission de l'information au niveau des synapses et le rôle intégrateur du neurone IV. APPROCHES COMPLEMENTAIRES A. Phénomènes ioniques de la membrane neuronale B. Les aspects énergétiques C. Les aspects moléculaires 256 256 257 259 261 262 263 263 264 265 265 265 267 268 270 272 275 275 277 281 281 284 285 LA TRANSMISSION DE L'INFORMATION DANS L'ORGANISME Logiciels de simulation en physiologie nerveuse I. L'EVOLUTION DES CONTENUS Au cours des dernières décennies l'étude du système nerveux a connu dans les programmes d'enseignement des lycées une évolution qui suit, en raccourci, l'évolution des connaissances scientifiques dans ce domaine. Dans les années 1970 l'anatomie comparée de l'encéphale, l'anatomie de la moelle épinière, la structure des nerfs et la forme des neurones occupaient une place importante dans les programmes. Ces études étaient complétées par celles, plus descriptives que fonctionnelles, de l'œil, du muscle squelettique et du muscle cardiaque. Les propriétés du nerf sciatique de grenouille étaient étudiées en démonstration devant les élèves avec une chaîne de stimulation et un oscillographe cathodique. On définissait la notion de seuil d'excitabilité, le potentiel d'action, la conduction d'un nerf. On pouvait ainsi aboutir à la notion de voies réflexes et de motricité volontaire. Ainsi se mettaient en place des connaissances de base sur le système nerveux : une étude assez détaillée des structures, quelques éléments de physiologie. On abordait aussi la régulation neurohormonale : l'hypophyse et l'hypothalamus étaient des organes qui faisaient le lien entre le système nerveux et la voie sanguine. On accordait une certaine place au plan historique : la théorie d'un système nerveux continu opposée à celle, bien établie, d'un système nerveux discontinu c'est à dire neuronal. Mais ces contenus des programmes ont très rapidement évolué dans le sens d'une étude plus fine des structures (synapses vues au microscope électronique), des mécanismes (phénomènes ioniques et membranaires accompagnant la naissance et le déplacement du potentiel d'action, rôle des neurotranmetteurs). Les travaux actuels de recherche font appel à des techniques microscopiques. Le meilleur exemple est la technique du patch clamp qui consiste à détacher un fragment de membrane cellulaire à l'aide d'un micropipette et à étudier, par le biais des courants ioniques, le comportement d'un canal isolé dans différentes conditions expérimentales. Ces canaux ont un rôle fondamental dans la vie de la cellule : naissance et propagation des influx nerveux dans les neurones et les cellules musculaires, transformation des stimuli physiques et chimiques en signaux électriques dans les organes sensoriels, communication avec le milieu extracellulaire. A une autre échelle on essaie de comprendre le fonctionnement du système nerveux en imaginant des réseaux de neurones dont on essaie de simuler le fonctionnement avec un ordinateur. Dans les laboratoires d'électrophysiologie et de neurophysiologie sensorielle que nous avons visités à Grenoble (Laboratoire de biologie animale) et à Lyon (Laboratoire d'électrophysiologie et de physiologie neurosensorielle), sont actuellement étudiés : rôle du bâtonnet dans la transformation du message en influx nerveux, la transmission membranaire et de la réponse musculaire, la transmission du message olfactif par la cellule mitrale du bulbe rachidien, la transmission de l'influx nerveux dans la cellule musculaire jusqu'à la réponse mécanique. Les contacts qui ont été pris avec des organismes de recherche (Unité 44 de l ' I N S E R M ) à Strasbourg montrent que la structure de la membrane cellulaire et les propriétés de ses constituants sont au centre des thèmes de recherche actuels qui abordent : les synapses à acétylcholine (synthèse et modalités de libération de l'acétylcholine, structure e^ fonctionnement du récepteur postsynaptique, effet de diverses substances modifiant le fonctionnement de la synapse), la myasthénie, l'insuline (connaissances actuelles sur le récepteur), l'adrénaline (un exemple d'amplification du signal, le récepteur adrénergique, le mécanisme d'action d'une hormone). Ces explorations font apparaître, d'une part le rôle fondamental de la membrane et des propriétés de certains constituants (protéines) dans tous ces exemples, d'autre part le rôle des ions (du calcium en particulier ) dans certains mécanismes. Il se dégage clairement de l'ensemble de ces recherches une grande unité de fonctionnement des mécanismes de transfert de l'information à travers la membrane et dans le cytoplasme. Une partie des connaissances scientifiques actuelles figurent déjà dans les manuels scolaires. Il manque cependant des outils qui permettent de conduire une approche expérimentale. La nature des nouvelles connaissances à enseigner nécessite une évolution des activités pratiques avec les élèves : l'anatomie et l'histologie ont perdu de leur importance tout en restant indispensables à la compréhension de la physiologie. On observe toujours, on dessine moins. L'oscillographe cathodique a été pendant des années un outil irremplaçable pour montrer la naissance du potentiel d'action et sa conduction le long du nerf sciatique de la grenouille. L'expérimentation assistée par ordinateur permet de continuer dans cette voie là avec l'avantage de pouvoir sauvegarder les résultats expérimentaux pour une meilleure exploitation avec les élèves. En revanche, on ne dispose pas du matériel d'expérimentation pour étudier le potentiel de repos, le potentiel d'action, la conduction sur des fibres nerveuses isolées (micromanipulateur, micro-électrodes, fibre d'axone géant de Calmar). Or toutes ces études peuvent être abordées à l'aide de logiciels dont le modèle mathématique donne des résultats proches de la réalité. La répétition des expériences, la rapidité d'obtention des résultats, l'affichage graphique, en font des outils d'une grande souplesse. Divers types de logiciels sont utilisés dans le domaine de la neurophysiologie. Dans une première partie, nous passons en revue quelques uns de ces logiciels ; nous consacrons la seconde partie à l'analyse d'une utilisation pédagogique possible basée sur l'un d'entre eux. Nous envisageons dans une troisième et dernière partie quelques approches qui pourraient compléter cet enseignement sur plusieurs plans : neurochimie synaptique, aspects énergétiques, dimension moléculaire. II. L O G I C I E L S D I S P O N I B L E S E N P H Y S I O L O G I E N E R V E U S E La plupart de ces logiciels logiciels portent sur le potentiel d'action et utilisent un modèle basé sur un ensemble d'équations mises au point en 1953 par Hodgkin et Huxley à partir de résultats d'expériences faites sur l'axone géant de Calmar. Ces résultats ont été obtenus en imposant un potentiel à la membrane et en enregistrant les courants qui la traversent. Dans ce modèle la membrane est assimilée à un circuit électrique comportant des résistances aux ions sodium, potassium, chlore. Ces résistances sont variables dans le cas du sodium et du potassium (en électrophysiologie on utilise la conductance (G) qui est l'inverse de la résistance : G = 1/R); elles sont traversées par des courants ioniques (I) qui dépendent du potentiel imposé à la membrane. A l'aide des résultats expérimentaux, Hodgkin et Huxley ont pu définir les équations de la conductance aux ions sodium et potassium. Ils ont introduit dans ces équations des paramètres sans dimension ("portes" n et h pour le sodium, m pour le potassium), m et n sont des paramètres d'activation et pourraient correspondre à des protéines qui, sous l'effet du changement de potentiel, ouvrent respectivement les canaux sodiques et potassiques, h est un paramètre d'inactivation qui correspond à un autre état de la protéine du canal sodium au cours du potentiel d'action. Nous avons analysé de manière détaillée trois de ces logiciels : H H E développé par le Laboratoire de physiologie animale et de bio-informatique de l'université de Caen, A X O V A C S commercialisé par Axon Instruments et N E U R O S I M commercialisé par B I O S O F T . Ces logiciels sont utilisés principalement dans l'enseignement supérieur. A. Fonctions générales des logiciels H H E , A X O V A C S et N E U R O S I M 1. HHE Ce logiciel comprend plusieurs modules auxquels on accède par un menu qui comprend les options suivantes : - Conductance : module de base pour l'étude du potentiel d'action, affichage du potentiel, de la stimulation et des conductances, - M.N.H : module de base pour l'étude du potentiel d'action, affichage du potentiel, de la stimulation et de l'état des portes, - Tableau des valeurs : affichage en colonnes des valeurs de tous les paramètres de la dernière expérience réalisée, - Seuil : recherche du seuil d'excitation, - Stimulus de longue durée : application d'un courant de longue durée, on obtient une succession de potentiels d'actions dont la fréquence dépend de l'amplitude du stimulus, - Climalyse : le courant de stimulation s'établit progressivement au cours du temps, à partir d'une certaine amplitude on obtient le potentiel d'action, - Période réfractaire : étude de la réponse si on porte deux stimulations plus ou moins rapprochées, - Accommodation : on impose une stimulation sous-liminaire à partir du temps t pendant x secondes, au temps t+x on applique une stimulation supraliminaire, - Excitation (hyperpolarisation) : modification du potentiel de membrane si la membrane est hyperpolarisée, - Voltage-clamp : le potentiel est imposé à la membrane et on suit les courants sodique, potassique, total, - Voltage-clamp (GNA) : le potentiel est imposé à la membrane et on affiche la conductance au sodium, - Voltage-clamp (GK) : le potentiel est imposé un voltage à la membrane et on affiche la conductance au potassium. Dans tous ces modules l'écran graphique a la même présentation générale (fig. D. Al(uA/cm2)=lW ESP-idem M-menu 0 1 D 1 ( m s ) = .1 I-imprimante 2 3 DL(ms)=8 A2(uA/cm2)=8 RETURN-suite 4 5 6 7 »2(ms)=B Université - CAEN 8 9 18 ms Fig. L- Ecran graphique de HHE. 2. AXOVACS Ce logiciel comprend une dizaine de modules qui sont accessibles directement ou par le biais de menus. Le menu principal donne accès à tous les modules qui sont répartis dans deux menus partiels.AXOVACSl (fig. 2) est un menu simplifié pour l'initiation comprenant les modules suivants : - le potentiel d'action (simulation de base), - l'affichage du potentiel d'action avec des échelles dilatées (effet zoom), - la pharmacologie (influences de substances bloquant les canaux à sodium ei potassium) ; les substances utilisées sont la saxitoxine (STX) et le tétraéthylammonium (TEA) ; l'étude est quantitative ; (l'option pharmacologie, dans A X O V A C S 2 , permet la suppression de l'inactivation du canal sodium, la Pronase), - les conductances (du sodium et du potassium), - les canaux (simulation de l'ouverture de canaux simples). i C ) 13S7 ftxon 3 «str«i^erds, 3 ne , A computer simulation, based on the model proposed by Hodgkin & Huxley [J. Physiol. 117.508 (1953)] for génération of the action potential in the squid giant axon. Nine options are available: MOLTAGE CLAMP (1) Channels ( 2 ) Conductances (3) Currents (Simulation of single channel gating) (Macroscopic Na and K conductances) CMacroscopic currents) CURRENT CLAMP (4) Action potential (5) Expanded scales C6) Adaptation (7) Pharmacology (8) Ion substitution (The basic simulation) (A close look at threshold) (Répétitive firing behauior) (Spécifie blockade of Na or K channels) (Change external Na or K concentration) OR: (9) (Exit to computer's opérâting System) Quit Enter your choice Cl, 2, 3, 4 , 5, 6, 7, 8, or 9)? | Fig. 2.- Menu principal d'AXOVACSl. L'écran de travail principal permet l'affectation de nouvelles valeurs aux paramètres et l'affichage des tracés (fig. 3). INITIAL MEMBRANE POTENTIAL mU=-6B •68 •38 si -38 SECOND STIMULUS uA=8 msec=8 start=8 -68 H G FIRST STIMULUS uA=188 msec=.1 start=8 K ANOTHER RUN (Y/N)? a STin ~1 18 Fig. 3.- Ecran graphique d'AXOVACS. 3. NEUROSIM Ce logiciel est subdivisé en quatre modules totalement indépendants au niveau de leur exécution, basés sur l'utilisation de différents modèles présentant une bonne ergonomie : - étude du potentiel d'action nerveux, - la conduction axonale passive : mise en évidence et propriétés des variations localisées du potentiel de membrane pour des stimulations infraliminaires, - le fonctionnement synaptique: présentation de 4 types de synapses excitatrices et inhibitrices avec la possibilité de simuler des interactions, - modélisation d'un réseau neuronal simple: 5 neurones présentant une activité spontanée qui peuvent être inhibés selon un schéma crée par l'utilisateur. Les écrans principaux de chacun de ces modules ont la même présentation. L'écran principal du premier module (fig. 4) permet d'obtenir : - l'enregistrement de la réponse électrique de l'axone aux stimulations, - les courants ioniques consécutifs à ces stimulations, - les variations de la conductance aux ions sodium et potassium. EXPERIMENTAL PARAHETERS N u o l t a g e clamp (Y = on, N = off): Je m c « g i r â M t s 1 Experlisent Mo<ïei t o g g l e Clantp stietUIus druGs Ion c o n c s toggle tRaces 0isplay scales Uie« s c r e e n T««e programme Save p a r a e t e t e r s Load p a r a e t e t e r s t i m u l u s ( u o l t a g e clamp OFF) ist 2nd 58.8 258.8 8.25 8.25 7.88 ms ampl itude : width: interval : rugs applied TTX: TEA: ueratridine: N N N jNa: ;K: 418 18 uA ms mM mM oïij N off) features Na K total conductance: Y Y ionic current: Y Y stimulus current: uoltage display range 48 to timebase: 18 ms isplay ip/dofem <PjfER>> o r I s t c h a r a c t e r . Fig. 4.- Ecran principal de NEUROSIM. ESC t o q u i t . scale 58 1888 588 -88 Les paramètres sur lesquels on peut agir sont : - l'activation ou désactivation du voltage imposé, - le choix des paramètres de stimulation (durée en millisecondes, intensité en microampères, intervalle entre deux stimulations). La position de la première stimulation est fixe sur l'échelle des temps. - l'introduction de drogues : le programme propose les suivantes : la Tétrodotoxine (ou TTX), le Tétraéthylammonium (ou TE A ) , la Vératidrine). L'étude est uniquement qualitative. On suppose donc que la quantité de drogue utilisée est supérieure au seuil. - la modification de la concentration ionique externe en sodium et en potassium. Il est également possible de choisir l'affichage ou non de certains paramètres : affichage de la réponse électrique seule, de la conductance au sodium ou au potassium, des courants ioniques sodiques, potassiques, totaux. On peut aussi déterminer librement les échelles d'affichage du potentiel d'action, de la conductance, des courants ioniques et du temps. Le lancement de la simulation avec les valeurs attribuées aux paramètres se traduit par l'affichage de diverses courbes sur un écran graphique. Un curseur est disponible dont le positionnement sur un point quelconque de l'une des courbes permet de lire instantanément la valeur de ce point (les compteurs de toutes les courbes sont mis à jour mais seule est à lire la valeur correspondant à la courbe sur laquelle est le curseur) (fig. 5 ) . •48 Fl = HELP F2 = Prt Scrn U KmU) r 588 st in (utV cm2) -88 - 8 |1888 ~ OUT I (utV CM2) [-58 G (roS/ cm2) 1888 IN tinte 8.8 ms 5.8 Fig. 5.- Ecran graphique de NEUROSIM. 18.8 cursor a va i1ab1e c = clear & returnj ESC = r e t u m use arrous to steer cursor step = 1 (adjust uith •/-) tinte U I G stim = = = = = 18.88 19 3676 215 753 ms mU uA mS uA we»bra.«e p o t e n t 3 Jcurr/cond L'option Model associe à l'affichage des courbes précédentes celui d'un "dessin animé" qui présente l'état des portes m, n, h au cours du potentiel d'action, (fig. 6). i k - return ESC to cancel print Heitane Potential tîwe =10,00 ms c = ciear * mm, \ f\ Membrane Gates Model M M N Na bhannel nrrr Single Channel Conductance high low Na bhannel outside JLIXJL n nn n wewbrane inside K high low JL Fig. 6.- Le modèle animé de NEUROSIM. Ce logiciel permet également de sauvegarder des données expérimentales ou de charger des données préalablement stockées. Chaque fois que l'on retourne au menu principal, l'écran graphique est sauvegardé en mémoire. Dans certains cas (si on veut modifier les valeurs de certains paramètres, les échelles par exemple, ou bien basculer en voltage clamp) il faut effacer cette page graphique. Autrement le logiciel permet l'affichage des courbes en superposition. Avec ces différents modules on peut simuler la plupart des résultats expérimentaux de neurophysiologie : seuil d'excitation, période réfractaire, activité répétitive à la suite de l'application d'un courant de longue durée, etc. B. Fonctions communes, fonctions spécifiques - Dans les trois logiciels la stimulation est de type rectangulaire: on choisit sa durée (en millisecondes) et son intensité (en ^ampère par cm ), 2 - le potentiel d'action n'est pas propagé : on simule l'enregistrement dans la zone de stimulation, - la durée maximale peut être déterminée par l'utilisateur dans NEUROSIM et dans certains modules d'AXOVACS, - AXOVACS offre la possibilité de superposer la conductance et les portes m,n,h et de déplacer sur l'échelle des temps la première stimulation, - NEUROSIM, qui se caractérise en outre par une très grande rapidité dans l'affichage des résultats, présente en propre plusieurs fonctions : - la modification des échelles d'affichage, - la visualisation du modèle en fonctionnement, - la sauvegarde des conditions expérimentales. C. Etude comparée de quelques résultats expérimentaux La rapidité d'obtention des résultats avec ces logiciels nous a incités ï entreprendre une étude comparative basée sur la recherche du seuil d'intensité et sur l'apparition du pic du potentiel d'action. D'autres comparaisons, comme l'effet des concentrations ioniques n'ont pas été possibles car HHE n'a pas cette option et AXOVACS prend en compte le rapport des concentrations intérieure et extérieure alors que NEUROSIM affiche la concentration extérieure effective. Cette remarque vaut également pour l'effet des drogues: étude non abordée par HHE, quantitative pour AXOVACS, qualitative pour NEUROSIM. Exemple 1 : Recherche du seuil d'intensité minimale nécessaire pour obtenir un potentiel d'action: Conditions de stimulation : - Durée : - Amplitude : - HHE - AXOVACS - NEUROSIM 0.1 milliseconde 2 64.67 |aA/cm 64 |iA/cm 45.2 n A / c m 2 2 Exemple 2 : Temps au bout duquel apparaît le pic du potentiel d'action pour une stimulation de 70 |jA/cm2 durant 0.1 milliseconde : - HHE - AXOVACS - NEUROSIM 3.7 ms 3.0 ms 1.86 ms Les deux résultats retenus montrent une assez grande parenté entre HHE et Le modèle du logiciel N E U R O S I M a un seuil de réponse plus bas bien qu'il fasse appel, comme les deux autres, aux travaux de Hodgkin et Huxley. AXOVACS. D. Autres logiciels disponibles Il existe bien d'autres programmes de physiologie nerveuse qui tournent sur les matériels disponibles dans les lycées : - FIBRE N E R V E U S E : Logiciel permettant l'étude du potentiel de repos, de la semi-perméabilité de la membrane, du mécanisme de transport du sodium et du potassium ainsi que du potentiel d'action, des courants ioniques, avec schéma du fonctionnement des canaux voltage-dépendants. Paru en 1991, ce logiciel est maintenant bien connu (se rapporter à la documentation). - un ensemble de programmes réalisés au Laboratoire de Physiologie animale de Brest, qui comporte notamment les modules suivants : - N G R : simulation de neurogramme biphasique l'enregistrement obtenu avec un nerf sciatique isolé, analogue à - HH : simulation du potentiel d'action nerveux basé sur les équations d'Hodgkin et de Huxley. Etude des courants en potentiel imposé et effet de la tétrodotoxine et du Manganèse. - PATCH : Approche de la théorie probabiliste de l'ouverture des canaux ioniques. Complète le module précédent. - d'autres logiciels concernent le fonctionnement neuronique. T H A L A M (Université de Yale), par exemple, modélise le comportement électrique d'un neurone. On peut expérimenter en voltage clamp ou en current clamp à l'aide de deux électrodes : l'une enregistre le potentiel membranaire, l'autre sert à injecter du courant. Possibilité de faire agir des drogues ou des neuromédiateurs. III. E T U D E D U S Y S T E M E N E R V E U X A V E C L E L O G I C I E L N E U R O S I M Parmi les différents logiciels analysés, NEUROSIM nous semble actuellement l'outil de modélisation le plus souple pour aborder la plupart des notions de neurophysiologie que nous avons à enseigner pour les raison suivantes : - grande facilité de mise en oeuvre, - interface conviviale, bonne ergonomie (utilisation de fenêtres d'affichage), - rapidité d'exécution et d'affichage, - existence d'un modèle de fonctionnement des "portes", - sauvegarde des résultats et donc possibilité de constituer une bibliothèque d'expériences types, - ouverture sur d'autres aspects que le potentiel d'action - la conduction passive, - le fonctionnement synaptique, - les réseaux neuroniques. A. Problématique générale Dans le système nerveux, les neurones forment un réseau complexe, cytologiquement discontinu où circulent des flux d'informations. Les points principaux à étudier sont les suivants : - comment naît le message nerveux ? - quel est le mécanisme de la conduction ? - comment le message est-il codé le long de la fibre nerveuse ? - comment les multiples informations qui affluent vers un neurone sont-elles traitées par celui-ci traitement qui conduit à l'émission d'un message codé en fréquence de potentiels d'action ? - le concept de réseau neuronique. B. Prérequis des élèves 1. Histologie et cytologie : les élèves sont censés connaître la structure du tissu nerveux, le concept de neurone, la structure de la membrane plasmique. 2. Electrophysiologie : les élèves doivent connaître : - l'existence du potentiel de membrane (ou potentiel de repos) lié aux différences de concentrations ioniques entre les milieux extra et intracellulaire, et à la perméabilité différentielle de la membrane du neurone aux ions (membrane plus perméable aux ions potassium qu'au ions sodium et chlore imperméable aux ions organiques intracellulaires). - la notion de potentiel d'équilibre pour un ion donné ; on considère qu'il s'agit d'un cas idéal pour lequel la membrane est uniquement perméable à cet ion ; ce potentiel d'équilibre dépend du rapport de concentration pour cet ion des milieux extra et intracellulaires. - le fait que les membranes cellulaires sont perméables à plusieurs ions; le potentiel de membrane est proche du potentiel d'équilibre de l'ion pour lequel la membrane est le plus perméable. - le fait que la différence entre le potentiel d'équilibre et le potentiel de membrane pour un ion donné engendre un transport passif de cet ion dans le sens du gradient électrochimique, + + - l'existence de transports actifs (pompe N a K ) qui compensent les passages passifs d'ions N a et K et maintiennent ainsi les différences de concentration entre les milieux intra et extracellulaires. + + C. Les étapes de la démarche 1. Le concept de potentiel d'action En se limitant aux manifestations électriques, quelles sont les caractéristiques de la réponse de l'axone aux stimulations ? Méthode : on demande aux élèves de provoquer une stimulation et d'observer les modifications du potentiel de membrane. Dans certaines conditions de stimulation apparaît une inversion rapide mais transitoire du potentiel de membrane: le potentiel d'action. Ceci doit conduire l'élève aux notions suivantes : - description du tracé de la réponse : temps de latence, dépolarisation, repolarisation, hyperpolarisation (fig. 7). +40 U KmU) ~ 500 stim (uA/ cm2) 0 11000 OUT I (uA/ cm2) 50 G |1000 —I IN CRl2) <L time 0.0 ms Fig. 7.- Potentiel d'action. 5.0 0 10.0 - Le seuil de dépolarisation et la loi du tout ou rien : l'existence d'un seuil de dépolarisation est mise en évidence en faisant varier la durée et l'intensité des stimulations (fig. 8). •48 -, + V |(mU) r 588 s t im (uA/ cm2) -88 8 |1888 OUT I (uA/ cm2) 58 G |1888 IN (mS/ cm2) time 8.8 ms Fig. 8.- Seuil 5.8 18.8 d'excitabilité. Dans le cas d'une stimulation efficace, l'amplitude du potentiel d'action reste constante quelles que soient la durée et l'amplitude de la stimulation. Le signal nerveux répond à la loi du tout ou rien. On peut aussi se demander s'il existe une relation entre la durée et l'amplitude de la stimulation. Considérant une durée de stimulation donnée, on explore l'échelle des amplitudes de stimulation pour obtenir un potentiel d'action. Durée (milliseconde) 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Amplitude de stimulation Produit Durée x Amplitude (microampère/cm ) 67.7 45.2 26.9 53.8 17.1 51.3 12.4 49.6 10.5 52.5 9.1 54.6 7.6 53.2 6.8 54.4 6.0 54.0 5.5 55.0 2 ampl i tude (HfVcm 2 ) —i 1 1 1 1 1 1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1 0.8 1 1— 0.9 1.0 duréeCmsec) Fig. 9.- Courbe d'excitabilité de la fibre nerveuse. Dans la partie moyenne, le produit durée-amplitude est relativement constant. Il faut par conséquent une certaine quantité de courant pour déclencher le potentiel d'action. En deçà des valeurs limites du tracé le potentiel d'action n'apparaît plus quelle que soit la durée de la stimulation. 2 Exemple : Amplitude : 1.7 ^iA/cm ; durée : 30 ms. 2. La période réfractaire +48 -, time 6.B ms 18.6 Fig. 10.- Période réfractaire : deux stimulations, durée 0,25 ms. 28.8 amplitude : 300 2 /jA/cm , La figure 10 montre que la réponse de la membrane à une deuxième stimulation dépend de l'intervalle de temps qui existe entre les deux stimulations. La période réfractaire comprend deux zones : la période réfractaire absolue (si le délai est inférieur à 2 ms) au cours de laquelle la fibre ne répond pas, et la période réfractaire relative : une dépolarisation plus importante est nécessaire pour l'émission d'un autre potentiel d'action. On constate que durant la période réfractaire la conductance au sodium est diminuée, alors que la conductance au potassium ne semble pas affectée. On peut émettre l'hypothèse que les structures membranaires responsable de l'entrée du sodium et du potassium sont différentes. 3. Recherche des mécanismes ioniques à l'origine du potentiel d'action On part des constatations suivantes : au pic du potentiel d'action, le potentiel membranaire est proche du potentiel d'équilibre du Na+ ; au moment de l'hyperpolarisation, le potentiel membranaire est très voisin du potentiel d'équilibre du K+. Cela suggère que le potentiel d'action résulte de transports ioniques passifs engendrés par des changement de perméabilité membranaire aux ions. Le logiciel permet de tester cette hypothèse en analysant les changements de conductance aux ions corrélés avec le potentiel d'action, et les conséquences sur le potentiel d'action de changements de concentrations en ions N a et K+ du milieu extracellulaire. + - Diminution de la concentration du sodium extracellulaire (fig. 11). -i •48 (mU) > -88 stim (uA/ cm2) - 1888 ~| OUT (uA/ cm2) 1888 IN [-58 G (mS/ cm2) - ii^Êêfe I tlwe 8.8 <_ e ws 18.8 28.9 Fig. 1 1 . - Effet d'une diminution de la concentration Stimulation : amplitude 50 /jA/cm , durée 0,25 ms. K . 2 + | en sodium. Résultat : le pic du potentiel d'action s'abaisse si la concentration en sodium diminue et le potentiel disparaît vers 20 milliMole. Conclusion : le potentiel d'action est bien déclenché par l'entrée des ions sodium. Cette entrée est passive et obéit aux lois de la diffusion. - Augmentation de la concentration potassique externe (fig. 12) : Fig. 12.- Effet d'une augmentation de la concentration en Stimulation : amplitude 100 |iA/cm , durée 0,15 ms. Na+ normal. potassium. 2 Résultat : on constate que le retour au potentiel de repos ne se fait plus si la concentration extérieure en potassium augmente. En effet la diminution du gradient de concentration des ions potassium limite la sortie de ces ions. Conclusion : Une modification de la concentration externe de sodium ou de potassium a des effets sur l'excitabilité de la fibre nerveuse. Le maintien des gradients de concentration sodique et potassique est fondamental dans l'expression de la réponse. Toute modification du milieu extracellulaire risque de perturber la transmission de l'influx nerveux. 270 TRANSMISSION DE L7NFORMATTON DANS L'ORGANISME-----.....- - - - - - - - Absence de toute stimulation (fig. 13) : Un axone plongé dans un milieu dont la concentration en potassium est augmentée (1,5 fois par exemple) subit des dépolarisations spontanées. +4E1 + 1\ IJ (mlJ) f \ / l -_/ -BEI \~_.... [ SEIEI stim ~:~~ time'EI.EI ms Fig. 13.- Dépolarisations spontanées. Pas de stimulation, K+ 15 mM, Na+ normal. En effet, une augmentation de la concentration en ions K + du milieu extracellulaire fait que le potentiel membranaire devient négatif et proche du seuil de dépolarisation. 4. Recherche d'explications aux caractéristiques essentielles du signal nerveux· La question à aborder est de rechercher la cause à l'origine des changements de perméabilité membranaire aux ions Na+ et K+. La nécessité d'une dépolarisation minimale (seuil de dépolarisation) pour engendrer un potentiel d'action laisse à penser que ces changements sont engendrés par la dépolarisation. On peut le tester par l'option "Voltage imposé". La technique du voltage imposé (voltage clamp) consiste à appliquer à la membrane un potentiel fixe et à étudier les courants qui la traversent durant l'application de ce potentiel. - Exemple 1 (fig. 14) : + fig 14 .- Voltage clamp. Ions K+ normal, Na normal. Au moment où un potentiel est appliqué à la membrane (et dépolarise l'axone) apparaît un courant global entrant puis sortant, qui est la somme de deux courants : un bref courant entrant de sodium, un courant sortant de potassium, plus lent, mais qui se prolonge tant que le potentiel imposé est maintenu. Pour des valeurs normales de concentration les courants sodiques et potassiques ont, au moment de l'installation du potentiel de clamp, les mêmes caractéristiques que lors de l'apparition du potentiel d'action. Tout se passe comme si l'apparition de ces courants était la conséquence de la chute rapide du potentiel de membrane. Cette chute peut être déclenchée par le potentiel imposé ou par une stimulation qui apporte des charges négatives à l'extérieur. Dans ce dernier cas il y a naissance d'un potentiel d'action. - Exemple 2 : effet de la diminution de la concentration du sodium intracellulaire (fig. 15). Quand on applique le potentiel, le courant sodique est plus faible. Le courant potassique n'est pas affecté par la modification du courant sodique. On en déduit que : - le flux net d'ions obéit constamment aux lois de la diffusion, - la diffusion des ions potassium est indépendante de celle des ions sodium. •78 -i 4- U (mU) 188 1588 PUT n I cm2) [1588 _ l IN (-88 G («S/ cm2) :<L 8 time 8.8 ms 18.8 28.8 Fig. 15.- Voltage clamp. Ions K+ normal, Na+ 60 mM. 5. Modalités de passage des ions sodium et potassium au cours du potentiel d'action. Rappeler aux élèves la structure de la membrane cellulaire : une double couche de phospholipides (globalement hydrophobes), des molécules de protéines (hydrophiles) ; les ions étant hydratés, ils ne pourront traverser la membrane qu'au niveau des protéines (rappeler le diamètre des ions sodium et potassium). Hypothèse : il y a dans la membrane des protéines organisées en canaux assurant le passage des ions sodium et potassium. Ces canaux appelés voltage-dépendants par rapport aux canaux de fuite du potentiel de repos seraient sensibles aux toxines alors que les canaux de fuite ne le sont pas. Il doit être possible de perturber le fonctionnement des canaux voltage-dépendants avec des substances chimiques à effet pharmacologique. - Recherche des caractéristiques de l'action de drogues sur le signal nerveux. - L'adjonction de TEA permet l'apparition du potentiel d'action mais le retour au potentiel de repos ne se fait plus. La conductance au sodium évolue normalement ce qui confirme que le pic du potentiel est bien dû au sodium. Par contre la conductance au potassium est nulle ; le potassium ne peut quitter la membrane. +88 - . u r knU) 588 stin (uA/ cm2) -88 <L_ 0 11888 ~ OUT I (uA/ cm2) 58 G («S/ (1888 IN cm2) <L8 t i m e 8 . 8 ms 18.8 ' 28.8 7EA. Stimulation : amplitude 50 fjA/cm , 2 Fig. 16.- rfw Na normal. durée 0,25 ms. + - action de la TTX (fig. 17) : la TTX empêche l'apparition du potentiel d'action. On voit aussi que la conductance au sodium reste nulle. Dans ce cas de figure, la conductance au potassium ne varie pas : celle-ci n'augmente que si le potentiel d'action apparaît. Fig. 17.- Effet de la Tétrodoxine. durée 0,25 ms. Na normal. + Stimulation : amplitude 50 2 fiA/cm , 274 TRANSMISSION DE L7NFORMAT/ON DANS L'ORGANISME------- - action de la Vératidrine (fig. 18) : La Vératidrine maintient la dépolarisation ainsi que la conductance pour les ions sodium et potassium. La dépolarisation et la conductance sont bien liées. j +88 U IIU) j -88 ~} (WV ca2) r. "--· _· · · · + i r i r- i 1 l1li8 1" ! _---------- .. J....-.-- f l~ (oaS/ ca2) 8 28.8 tl_....o-::-8-.8-_-----~1-8-.8-----~ Fig. 18.- Effet de la Vératridine. Stimulation: amplitude 50 pA/cm2, durée 0,25 ms. - Voltage clamp et drogues : Les expériences en voltage clamp confirment l'effet des drogues: le courant potassique disparaît avec le TEA (fig 19). :;:)] J": "~"'" + .... · · . ··· ...· .. ········. · ..· ·...1 -,~ 188 ----- - --18.8 . [~ 28.8 Fig. 19.- Voltage Clamp. Ions K+ normal Na+ normal, drogue TEA. 6. Introduction à la notion de canaux ioniques L'action des poisons qui modifient spécifiquement la conductance aux ions sodium et potassium est un argument en faveur l'existence de canaux, zones de passage privilégiées pour les ions sodium et potassium. La T T X bloque les canaux sodiques, le TEA bloque les canaux potassiques. Ces canaux s'ouvrent s'il y a diminution du potentiel de membrane. Ceci est un argument pour montrer que l'ouverture des canaux à potassium est v o l t a g e dépendant, (rappelons que la sortie du potassium participe à la repolarisation de la membrane) a. Le modèle des portes Le modèle de Hodgkin et Huxley prend en compte des modifications de charges électriques au niveau de la membrane. Ces modifications sont assimilées à des "portes". On peut établir la relation entre la conductance et l'état de ces portes au cours du potentiel d'action. Ces portes pourraient bien correspondre à des entités chimiques sensibles à la valeur du potentiel transmembranaire. Il y a deux types de portes associées aux canaux du Na (portes m, h), un type associé aux canaux du K (porte n). Ces entités chimiques pourraient correspondre aux molécules des canaux ioniques. b. Le comportement aléatoire de l'ouverture des canaux L'animation qui illustre les états d'un canal (fig. 6) donne une idée de l'état des portes et de l'état ouvert ou fermé d'un canal au cours du potentiel d'action. Si on suit l'état de ce canal au cours de plusieurs potentiels d'action obtenus dans les mêmes conditions expérimentales, on remarque que ce canal ne s'ouvre pas à tous les coups. Cette observation illustre le comportement aléatoire de l'ouverture des canaux voltage-dépendants. 7. La conduction du message nerveux a. La conduction passive Une stimulation infraliminaire crée une perturbation temporaire du potentiel de membrane (potentiel électrotonique) Le module C A B L E du logiciel permet d'étudier la propagation de ce potentiel Ce module simule les propriétés d'un neurone à conduction passive, sans pic de potentiel. La situation expérimentale simulée est la suivante : quatre électrodes sont insérées dans un axone infiniment long. Une électrode sert à injecter un courant rectangulaire positif dont on peut faire varier l'amplitude et la durée, trois électrodes (El, E2, E3) enregistrent la réponse de l'axone et sont positionnées à une certaine distance de l'électrode excitatrice. Les caractéristiques de la membrane sont modifiables ainsi que le diamètre de l'axone. Nous proposons l'étude de l'effet d'une stimulation infraliminaire sur le potentiel intracellulaire en fonction de l'intensité de la stimulation et de la distance des électrodes. 276 TRANSMISSION DE L7NFORMATlON DANS L'ORGANISME------- - Expérience 1 (fig. 20) : cette expérience montre qu'une stimulation infraliminaire crée une variation du potentiel de membrane dont les effets diminuent quand on s'éloigne du site de stimulation. + .8 wN r" \ •8 1\ 1 r-+ .::. '\. - . -..- 1 " 5.8 .... <>'" ! "p l nA •• "~ ..... . .................. 1. . ' ._~_.~_.-. . _=-.:!. _._. - _. _. 8.8 _ : . ._~:~:.::::::::::.~.::::::::.:::=:::::.=-.::=== 18.8 2.5 28.8 Fig. 20.- Potentiel électrotonique. Diamètre de l'axone 10 JD1l Electrodes El, E2, E3. - Expérience 2 (fig. 23) : plus le diamètre de l'axone est grand, moins le potentiel électrotonique s'atténue avec la distance. 5.8 nA 2.5 8.8 _ 18.8 28.8 Fig. 21.- Potentiel électrotonique. Diamètre de l'axone 5, 8, 10 JD1l. Electrode El. - Expérience 3 (fig. 22) : deux stimulations proches dans le temps ont un effet cumulatif. Cette propriété est importante pour comprendre l'intégration des messages nerveux par le neurone. —•= e.e ms Fig. 22.- Potentiels électrotoniques. El, E2, E3. Délai 8 ms. i h îe.e ze.e Diamètre de l'axone 10 jjm. Electrodes b. La conduction active Cette propriété fondamentale des fibres nerveuses ne peut pas être étudiée avec les logiciels présentés ici car les potentiels d'action ne sont pas propagés. 8. La transmission de l'information au niveau des synapses et le rôle intégrateur du neurone Le système nerveux comporte une multitude de neurones qui communiquent entre eux par des contacts synaptiques. La plaque motrice est une synapse cholinergique périphérique. Chaque fibre musculaire ne possède qu'une seule plaque motrice et chaque potentiel de plaque motrice (PPM) est normalement supraliminaire. En résumé: un potentiel d'action nerveux donne un potentiel de plaque motrice qui donne un potentiel dans la fibre musculaire. A l'opposé les neurones centraux reçoivent plusieurs milliers d'afférences nerveuses axoniques formant autant de synapses. Le motoneurone de la substance grise de la moelle épinière, par exemple, reçoit 6000 synapses axosomatiques et axodendritiques dont les axones présynaptiques sont d'origine centrale et périphérique. Les synapses sont de type chimique. Le module P S P permet d'introduire cet aspect fondamental du fonctionnement du système nerveux. Ce module propose l'étude de quatre types de synapses centrales : - synapse excitatrice avec augmentation de la conductance, type cholinergique produisant un potentiel postsynaptique excitateur ( P P S E ) , nommée SI, - synapse inhibitrice avec augmentation de la conductance, type produisant un potentiel postsynaptique inhibiteur (PPSI), nommée S 2 , GABA, - synapse excitatrice avec diminution de la conductance, type Sérotonine, produisant un PPSE, nommée S3, - synapse inhibitrice avec augmentation de la conductance, nommée S4. Il s'agit d'inhibition présynaptique. PPSI dépolarisant, Les paramètres expérimentaux sur lesquels on peut agir sont : - le moment de l'activité de chacun des quatre types de synapses, - l'activation répétitive de la synapse de type SI avec un facteur de facilitation , 1 - l'introduction d'un courant expérimental, - le choix du seuil de dépolarisation, - la modification des échelles (temps, potentiel, courant synaptique, conductance). La variation de potentiel mesurée concerne toujours la membrane postsynaptique. Nous nous limiterons dans cette étude, par souci de simplification vis à vis des élèves, aux synapses SI et S2. a. Etude d'une synapse excitatrice (fig. 23) : la stimulation unique d'une synapse excitatrice (SI) diminue faiblement la valeur du potentiel de membrane sans atteindre le seuil de dépolarisation. 1 II s'agit d'une potentialisation de la réponse postsynaptique qui apparaît lorsque l'élément présynaptique décharge avec une fréquence élevée. A partir d'une certaine fréquence, les potentiels d'action successifs engendrent des réponses postsynaptiques ayant une amplitude plus grande que celle enregistrée avec un potentiel d'action isolé. Fig. 23.- Potentiel postsynaptique SI. excitateur (PPSE). Activité de la synapse b. Etude d'une synapse inhibitrice (fig. 24) : la stimulation unique d'une synapse inhibitrice (S2) augmente faiblement la valeur du potentiel de membrane, il y a hyperpolarisation. Fig. 24.- Potentiel postsynaptique inhibiteur (PPSI). c. Stimulation répétée d'une synapse excitatrice (fig. 25) : si la fréquence est suffisante et le facteur de facilitation bien choisi, on peut provoquer la naissance d'un potentiel d'action. j -28 il U (nU) -68 - -188 58 expnt stin B < (nA) 158 ~ OUT syn I 158 IN ^ -58 • 1 r n > - n Q f a t i ne 8 . 0 mB n 15.0 ~5.8 G (uS) 8 38.8 Fig. 25.- Activité répétée de la synapse SI. d. Effet de l'activité de la synapse S2 sur l'apparition du potentiel d'action (fig. 26). L'étude comparée des documents 25 et 26 met en évidence qu'il suffit d'un seul PPSI pour retarder l'apparition d'un potentiel d'action. -28 _ y (nU) -68 -> w -188 58 expat stin —8 (nft) 158 ~ OUT syn _ -58 1 > (TlA) 158 IN A t i Me 8 . 8 ns i \ fi n <i n n lil nt 15.8 f -5.0 G (uS) 8 38.8 Fig. 26.- Activité répétée de la synapse SI. Effet d'une activité de la synapse S2 à 20 secondes. Cette expérience illustre la complexité de la réponse neuronale quand plusieurs milliers de synapses sont susceptibles de fonctionner en même temps. Synthèse : dans leur grande majorité les P P S E et les P P S I sont infraliminaires, pour chacun d'eux la dépolarisation reste très localisée. La naissance du potentiel d'action axonal résulte de l'activité des différents types de synapses à un moment donné, plus précisément de l'effet cumulatif des PPSE et soustractif des PPSI en liaison avec leur distribution spatiale. Dans le cas du motoneurone la résultante de ces activités (ou PPSE global) s'exerce au niveau du segment initial de l'axone, là où le seuil d'excitabilité est le plus faible. Si le seuil est atteint il y a émission d'un train de potentiels d'action dont la fréquence dépend de l'amplitude du potentiel global postsynaptique. Cette étude est d'une importance fondamentale pour la compréhension des propriétés intégratrices du neurone dans le système nerveux central. Ce type d'étude met en évidence la complexité du fonctionnement du système nerveux. L'étude électrophysiologique ne peut être dissociée, d'une part, des connaissances sur la structure de la membrane, d'autres part des propriétés des molécules de la communication interneuronale : les neuromédiateurs. Il serait souhaitable de pouvoir introduire le concept de réseau neuronique. Le module N E T W O R K nous semble trop simplifié pour étudier cette question car le réseau comprend au maximum 5 neurones qui ont tous une activité spontanée. Les potentiels d'action véhiculés par les axones aboutissent à des synapses axosomatiques inhibitrices. L'utilisateur a cependant le choix des différentes connexions. Les possibilités offertes par ce module restent limitées (une nouvelle version du logiciel, parue en septembre 1992, permet de travailler sur une cinquantaine de neurones). IV. A P P R O C H E S COMPLEMENTAIRES A. Phénomènes ioniques de la membrane neuronale L'exploration des outils disponibles n'a pas mis en évidence l'existence de modélisation du fonctionnement de la membrane du neurone au cours du potentiel d'action ou de la synapse au cours de la transmission de l'information à ce niveau. Il apparaît que les aspects électrophysiologiques sont bien développés mais que les phénomènes membranaires et biochimiques le sont peu (bien que N E U R O S I M présente cependant un modèle avec les trois "portes" et FIBRE N E R V E U S E un schéma du fonctionnement des canaux voltagedépendants. Enfin, le fonctionnement de la jonction neuro-musculaire, la synapse la mieux connue des chercheurs n'a, à notre connaissance, jamais été modélisée. La modélisation de cette synapse permettrait d'étudier le mécanisme de la transmission synaptique de manière interactive en définissant pas à pas les modalités du passage de l'information à travers l'espace synaptique. Ceci mettrait en évidence : - que la discontinuité cytologique crée une discontinuité dans la conduction de l'information nerveuse ; cette notion pourrait être atteinte en plaçant des microélectrodes réceptrices avant la synapse (sur l'axone), de part et d'autre de l'espace synaptique et au-delà de la synapse (sur la fibre musculaire), - l'existence d'un neuromédiateur. L'étude de dysfonctionnements pathologiques (myasthénie) ou expérimentaux (à l'aide de venins de serpents et de drogues) permettrait de montrer les conditions nécessaires au passage de l'information, - les différentes étapes de cette transmission : - arrivée du potentiel d'action au niveau du bouton synaptique, - ouverture des canaux calcium voltage-dépendants, - libération du contenu des vésicules dans l'espace synaptique et entrée des ions C a dans l'axone présynaptique, + - ouverture des canaux cationiques postsynaptiques : — > potentiel de plaque > potentiel d'action musculaire. Tous ces événements devraient être illustrés à différentes échelles (la synapse dans sa totalité, l'échelle membranaire avec les mouvements ioniques, l'échelle du canal ionique). Les données quantitatives et qualitatives concernant la jonction neuro-musculaire sont nombreuses mais souvent variables ce qui complique la réalisation d'un modèle. Voici quelques données, à titre d'exemple : - Stockage de l'acétylcholine : elle est stockée dans des vésicules synaptiques de 40 nm de diamètre situées dans les terminaisons nerveuses Chaque vésicule peur contenir entre 1000 et 10000 molécules d'acétylcholine. - En l'absence de toute stimulation du motoneurone il y a un phénomène d'exocytose spontanée qui provoque de petites dépolarisations d'amplitude 0,5 à 1 mV insuffisantes cependant pour atteindre le seuil de déclenchement d'un potentiel. - La libération du contenu d'une vésicule constitue un "quantum" qui ouvre 3000 canaux ioniques, ce qui est suffisant pour dépolariser une zone de la membrane d'environ 1 mV. - Un potentiel déclenche l'exocytose de 300 vésicules environ. - Un canal Na ouvert permet le passage de 15000 à 30000 ions Na par milliseconde - Le nombre de récepteurs par plaque motrice est estimé à 17 E 7 2 - Il y a 10000 canaux par fim . - 0,3 ms après la libération d'un paquet d'acétylcholine, 2000 canaux à sodium et potassium sont ouverts. - La concentration d'Acétylcholine dans la fente synaptique est : 9 - au repos : 10 E ~ moles/litre, 4 _ 3 - en activité : 10 E ~ à moles/litre ; cette augmentation de concentration se fait en 1 milliseconde. 2 - Un quantum couvre une surface de 1 \im et ouvre 50 à 7 5 % des canaux. - La concentration d'acétycholinestérase dans l'espace synaptique est de 10 E 7, - Une molécule d'acétylcholinestérase hydrolyse 25000 molécules d'acétylcholine par seconde. - L'acétylcholinestérase détruit environ 1/3 de l'acétylcholine au cours de son passage dans l'espace synaptique. En ce qui concerne les venins de serpent ou d'autres poisons les données sont qualitatives. Ces effets sont de deux types : (A) paralysie flasque des muscles squelettiques, (B) tremblements musculaires avec paralysie. Les modes d'action peuvent être classés ainsi : (1) fixation au récepteur d'Acétylcholine, (2) blocage de la libération de l'Acétylcholine, (3) inhibition de l'activité de l'Acétylcholinestérase, (4) facilitation de la libération de l'Acétylcholine. Voici quelques exemples de fonctionnements anormaux : EFFET MODE D'ACTION Venin d'Hydrophiidae A 1 Venin du Bungare d'Asie A 2 Venin du Cobra australien A 1 et 2 Venin du Mamba B 3 Toxine botulinique A 2 Enfin la structure du récepteur nicotinique musculaire est la mieux connue car l'organe électrique de certains poissons (Raie mantha) est constitué de quelques milliers de cellules comportant de fortes concentrations de ce type de récepteur. Ce récepteur a été purifié, isolé et sa structure primaire déterminée. Il comprend quatre polypeptides différents et sa masse est comprise entre 250 000 et 270 000. Des études en microscopie électronique de cristaux plan ont permis de voir que le récepteur a un diamètre de 9 nm et qu'il possède une ouverture centrale de 2 nm de diamètre. Il traverse la bicouche phospholipidique de la membrane cellulaire, fait saillie de 7 nm dans l'espace extracellulaire et de 3 nm dans le cytoplasme. Des mesures de perméabilité ont mis en évidence que les ions Na+ et K+ hydratés passent. Le diamètre réel de ce canal doit être compris entre 0,65 et 0,85 nm. Nous n'avons pas pu, dans le cadre de cette recherche, aller jusqu'à une tentative de modélisation. B. Les aspects énergétiques Le rôle fondamental du calcium dans le fonctionnement des synapses et de la fibre musculaire suggère que des travaux pratiques de spectrophotométrie pourraient compléter ces études. Des travaux pratiques pourraient illustrer certaines modalités du passage de cet ion à travers une membrane : gradient de concentration, besoins énergétiques (ATP). Nous avons retenu la mitochondrie (organite présent dans la synapse et dans la fibre musculaire), dont la matrice est un réservoir de calcium. Pourraient ainsi être étudiés : - les variations de la consommation d'oxygène sous l'action de différentes substances (le succinate, l'ADP), - la mesure des échanges de calcium entre la mitochondrie et le milieu "extérieur" en relation avec l'activité mitochondriale. Cette manipulation, mise au point avec un chercheur de l'unité 44 de l'INSERM, fonctionne de manière très satisfaisante. - le dosage des protéines de la mitochondrie. Si pour le premier point on peut s'appuyer, par exemple, sur le réacteur E S A O de Jeulin, en revanche, un spectrophotomètre de précision est requis pour les deux derniers points : les performances des spectrophotomètres actuellement accessibles sont insuffisantes car la fenêtre de lecture n'est pas assez fine. C. Les aspects moléculaires Il s'agit là d'un thème transversal et unificateur car il concerne le rôle joué par les protéines membranaires dans la transmission de l'information en général. Les récepteurs postsynaptiques des neuromédiateurs formant les canaux ioniques en sont un exemple. Cette problématique est proche de celle des récepteurs hormonaux et aussi des enzymes extra et intracellulaires car la structure spatiale de toutes ces protéines joue un rôle fondamental dans la réalisation de leur fonction. Nous faisons souvent appel dans notre enseignement à un nombre varié de molécules organiques. Dans le but de brosser un tableau d'ensemble d'une molécule et de la resituer dans son contexte biologique, il serait intéressant de disposer d'informations rapidement accessibles, telles que : nom, masse molaire, formule brute, formule développée, nature chimique, propriétés chimiques, représentation dans l'espace, origine, localisation, fonction biologique, utilisation par l'homme, etc. Nous avons commencé, sous D B A S E la constitution d'une banque de données qui concerne pour le moment 85 molécules : des glucides, les acides aminés, des acides gras, les bases azotées des acides nucléiques, des hormones, les pigments chlorophylliens. Isolée, cette base peut avoir quelques utilisations limitées : l'étude comparée des acides aminés et des glucides (constater la présence d'azote et quelquefois de soufre dans les acides aminés) ; l'extraction des hormones polypeptidiques (constater qu'il s'agit presque toujours de petits polypeptides). Les limites sont dues en particulier à l'impossibilité d'y associer la représentation moléculaire. S'il est possible de représenter actuellement sur les compatibles PC des molécules de l'ordre de 1000 atomes, l'évolution de la puissance des matériels informatiques permet d'espérer, à court terme, l'utilisation d'outils de représentation de molécules complexes : protéines dont les modèles prennent en compte des problèmes d'énergie libre et d'entropie. BIBLIOGRAPHIE OUVRAGES ALBERTS B., BRAY D. (1986) - Biologie moléculaire de la cellule, Paris, FLAMMARION. BAULIEU E-E. (1978) - Hormones, Paris, HERMANN. BOULIAC B., SIMONNET G., VINCENT J-D. (1981) - Synapses et transmission chimique, Paris, SANDOZ EDITIONS. BURGEAT ,KAYSER , Biophysiologie du neurone, Paris, MASSON CHANGEUX J-P. (1983) - L'Homme neuronal, Paris, FAYARD. D A R N E L L J., LODISH H., BALTIMORE D. (1988) - La Cellule : biologie moléculaire, Paris, VIGOT. H A M M O N D C , TRITSCH S. (1990) - Neurobiologie cellulaire, Paris, DOIN, LAGET , Biologie et physiologie des éléments nerveux, Paris, MASSON, ROBERTS M., MATTHEW B., LEVY (1988) - Physiology, The C.V Mosby company St Louis, Washington, D.C. Toronto. S C H M I D T , D U D E L , JÀNIG, Z I M M E R M A N N (1984) - Neurophysiologie, Paris, LIBRAIRIE LE FRANÇOIS. ARTICLES: D'ALCHE P., CHARON M., Simulation sur microrordinateur du potentiel d'action nerveux à l'aide des équations de Hodgkin et Huxley, Biopédagos, n ° l , p. 65-77, 1986. AUGUSTINE G., sodium action in synaptic transmitter release, Ann. Rev. Neuroscience, p. 633-693, 1987. BERRIDGE M., Les molécules de la communication dans la cellule, Pour la Science, n° 98, p. 134-147, 1985. BERTRAND G., Spectrophotométrie, Encyclopaedia Universalis, vol. 15, p. 240-244, 1968 BOCKAERT J., Les récepteurs membranaires, La Recherche, n° 179 , p. 892-900, 1986. BRETSCHER M., Les molécules de la membrane cellulaire, Pour la Science, n° 98, p. 66-78, 1985. CARAFOLI E., CROMPTON M., MALMSTRÔM K., SIGEL E., SALZMANN M., CHIESï M., AFFOLTER H., Mitochondrial Calcium Transport and the Intracellular Calcium Homeostasis, Biochemistry of Membrane Transport, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, p. 535- 551, 1977 LLINAS R., Le rôle des ions calcium dans la transmission synaptique, Pour la Science, p. 90 102, décembre 1982. MENEZ A., Les venins des Serpents, La Recherche, n° 190, p. 886- 893, 1987. PEPER K., BRADLEY R.J., DREYER F., The Acetylcholine Receptor at the Neuromuscular Junction, Physiological Reviews, vol. 62 n° 4 p. 1271-1340, 1982 POPOT J-L., La structure des protéines membranaires, La Recherche, n° 192, p. 1170-1181, 1987. SNYDER S., Les molécules des échanges entre les cellules, Pour la Science, n° 98, p. 94-105, 1985. Structure du muscle squelettique, CRDP Rennes, p. 21-37. Le signal calcium, Pour la Science, p. 78-88, janvier 1986. Récepteurs membranaires, Médecine-Sciences, p. 40-48, déc. 1988. M. DREYER, J.C. HERVE, N. SALAME, Analyse de quelques logiciels de neurophysiologie utilisés dans l'enseignement supérieur. Académie de Versailles, CARFI, 1992, p. Tables scientifiques, Documenta Geigy, Bâle, J.R. Geigy S.A., Département pharmaceutique, 1963. ANALYSE D E S E Q U E N C E S D E G E N E S E T DE P R O T E I N E S J. C. Hervé, D. Lenne, J.F. Rodes N. Salamé, B. Thérrié Ce travail est redevable à : M. ADOUTTE, Laboratoire de Biologie Cellulaire 4, Université Paris XI M. GOUJET, Muséum National d'Histoire Naturelle M. GOUY, Unité Biométrie, Génétique et Biologie des Populations, Université Claude Bernard, Lyon M. KREISS, Institut National de Recherche sur le Cancer, Villejuif M. LECOINTRE, Muséum National d'Histoire Naturelle M. PHILIPPE, Laboratoire de Biologie Cellulaire 4, Université Paris XI M. RISLER, Centre de Génétique Moléculaire, Gif Sur Yvette Ainsi qu'aux enseignants qui ont participé logiciels avec leurs classes : à la mise au point et à l'utilisation MMes BARBIER et PELLETIER, Lycée Evariste Galois, Sartrouville MM. BARRERE et DUPONT , Lycée Paul Louis Courier, Tours MM. FAURE et SCHMIT, Lycée Antoine De Saint Exupéry, Fameck MMes LEBRETON et DUMANT, Lycée Parc des Loges, Evry M. COSTES, Lycée Camille Claudel, Vauréal M. LESUR, Lycée Janson de Sailly, Paris M. MARGERIE, Lycée International, Saint Germain en Laye Mme MARRE, Lycée Le Corbusier, Poissy M. MASSE, Lycée Gérard de Nerval, Uzarches Mme MERIGUET, Lycée françois 1er, Fontainebleau Mme PEDUZZI, Lycée Romain Rolland, Ivry M. POIBLAUD, Lycée Georges Clemenceau, Reims Mme RICHERME, Lycée François Villon, Les Mureaux expérimentale des a 288 P ê e ANALYSE D E SEQUENCES DE GENES ET DE PROTEINES J. C. Hervé, D. Lenne, J.F. Rodes, N. Salamé, B. Thérrîé 289 I - L'EVOLUTION DES CONNAISSANCES 289 A. Quelques repères historiques B. Les connaissances de biologie moléculaire dans les programmes des lycées C. Conséquences pédagogiques IL BANQUES DE DONNEES ET LOGICIELS DE TRAITEMENT EN BIOLOGIE MOLECULAIRE A. Les bases de données internationales B. Les traitements des séquences C. Les choix opérés dans les logiciels disponibles III. ENSEIGNER LES CONNAISSANCES DE BASE AVEC UN LOGICIEL D'ANALYSE DE SEQUENCES (SEQAIDII) A. Fonctionnalités du logiciel 1. Lecture, écriture, visualisation de séquences 2. Edition et conversion de séquences 3. La comparaison (alignement) de séquences 4. Analyse de séquences B. Banque de données associée à SEQAIDII 1. Constitution de la banque 2. Contenu de la banque C. Les thèmes d'utilisations du logiciel et des données 1. Code génétique : caractéristiques, cadre de lecture 2. L'ARN messager 3. Activités autour du gène eucaryote 4. Allèles du gène, mutations et conséquences 5. Familles multigéniques et complexification du génome D. Les utilisations en classe IV. ETUDIER L'EVOLUTION A PARTIR DE DONNEES MOLECULAIRES A. Fonctionnalités du logiciel EVOLUTION MOLECULAIRE 1. Choix des espèces 2. Travail sur des séquences non alignées 3. Travail sur des séquences alignées a. Calcul et affichage d'une matrice des distances b. Calcul et affichage d'un arbre phylogénétique c. Comparaison de deux matrices B. Utilisations pédagogiques 1. Familiarisation avec la classification phylogénétique des vertébrés 2. Notions d'homologie, de mutation et de contrainte fonctionnelle 3. Réponses à un problème de parenté entre groupes 4. Rythme d'évolution des molécules chez les vertébrés 5. Réalisation de quelques phylogénies 6. Duplication de gènes V. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES 289 291 292 294 294 296 297 298 298 299 301 303 306 307 307 308 310 311 312 315 315 316 319 328 329 331 332 332 333 333 334 334 336 336 337 338 339 341 342 ANALYSE DE SEQUENCES DE GENES ET DE PROTEINES I - L'EVOLUTION DES CONNAISSANCES A. Quelques repères historiques La théorie cellulaire, la théorie de l'évolution, la découverte par Mendel des gènes, entités abstraites responsables des caractères observables des organismes, sont des avancées majeures de la biologie du 19ème siècle. Avec la théorie chromosomique de l'hérédité, établie durant les deux premières décennies du 20ème siècle, qui conduit à localiser les gènes de façon précise sur les chromosomes, cela représente le noyau dur de la biologie. Pendant toute la première moitié du 20ème siècle, ces concepts unificateurs vont rester relativement étrangers l'un à l'autre. Peu à peu, les biochimistes vont élucider les complexes voies métaboliques qui, au sein des cellules, assurent la synthèse des différentes molécules à partir des nutriments ainsi que les mécanismes des conversions énergétiques. Ils vont mettre en évidence le rôle des enzymes en tant qu'agents indispensables du métabolisme et prendre conscience de leur nature protéique. Il faut toutefois attendre les années quarante pour que se conceptualisent les premières idées sur la liaison entre les gènes et les réactions du métabolisme cellulaire, liaison résumée alors par l'expression "un gène une enzyme". C'est aussi au milieu du 20ème siècle que la théorie synthétique de l'évolution réunit dans un même cadre explicatif sélection naturelle et génétique des populations. Mais, faute de connaître la nature des gènes, on n'est au milieu de ce 20ème siècle qu'aux prémisses de la biologie moléculaire. L'élucidation de la structure de l'ADN, en 1953, marque le début d'une période où vont être clarifiés les mécanismes par lesquels les caractéristiques phénotypiques des êtres vivants résultent de l'expression des informations contenues dans leurs gènes : transcription et traduction des gènes, code génétique. Cette période qui s'étend jusqu'à la fin des années soixante, marque la véritable naissance de la biologie moléculaire, résultat de la jonction entre la biochimie et la génétique. Ces découvertes sur la nature et les modalités d'expression des gènes représentent sur le plan conceptuel une avancée considérable, mais elles sont peu opérationnelles. On sait qu'un gène est constitué d'ADN, mais comment isoler puis analyser dans l'immense chaîne nucléotidique qui constitue une molécule d ' A D N , la petite région qui correspond à un gène ? Au début des années 1970 les gènes restaient des abstractions. La mise au point des techniques du génie génétique entraîne une nouvelle révolution en biologie, en fournissant une méthode générale de purification des gènes et de détermination de leurs séquences. Depuis la fin des années 1970, le nombre de gènes dont la localisation chromosomique et la séquence sont déterminées croit à un rythme rapide. Le programme génome humain doit déboucher sur l'inventaire des 100 000 gènes humains. Cette connaissance moléculaire des organismes, en particulier de l'Homme, a des retombées dans les branches les plus diverses de la biologie. Sans tomber dans le réductionisme, on peut dire que la biologie moléculaire fait désormais partie de la neurophysiologie, de l'endocrinologie, de l'immunologie, de l'embryologie, etc. Comme la révolution intervenue est d'essence technologique, elle s'est rapidement traduite par des applications dans le domaine médical. Il est désormais possible de faire une analyse génétique d'une personne à tous les niveaux de développement avec toutes les conséquences qui peuvent en découler (diagnostic prénatal, médecine prédictive, etc.). C'est le début d'une nouvelle génétique qui soulève des problèmes éthiques importants. L'histoire évolutive des organismes est enregistrée dans leurs gènes. La connaissance de plus en plus poussée des génomes des organismes éclaire les processus de l'évolution. En particulier, la comparaison des gènes homologues des diverses espèces permet de révéler des apparentements, d'établir des phylogénies. Surtout, la dynamique des génomes et donc les possibilités de création de "nouveautés" génétiques, apparaissent beaucoup plus grandes que ce que l'on croyait (duplication de gènes, gènes résultant d'une réassociation d'exons, etc.). B. Les connaissances de biologie moléculaire dans les programmes des lycées Les programmes de 1966 marquent l'introduction des notions de biologie moléculaire dans l'enseignement secondaire. En effet, en terminale D, à propos de la division cellulaire, on trouve : la duplication du matériel chromosomique et la synthèse de l'ADN ; dans une autre partie du programme portant sur la génétique et l'évolution on demande d'envisager les étapes récentes de la génétique : Beadle et Tatum et la correspondance "un gène une enzyme" ; Watson et Crick, la structure de l'ADN et le code génétique ; Lwoff, Monod et Jacob et l'exploitation de l'information génétique. Ces programmes, avec l'introduction des découvertes majeures des décennies 50 et 60 en biologie moléculaire traduisent la première modernisation de l'enseignement de la biologie au lycée. Malgré tout, les notions introduites sont davantage juxtaposées aux données classiques qu'intégrées. Elles représentent un ajout et la liaison entre le génome présent au sein de chaque cellule et le phénotype des organismes n'est pas vraiment abordée. Cette juxtaposition se retrouve, moins accentuée, dans les programmes de 1982 : l'ADN est envisagé au cours de la reproduction conforme, la notion de gène et de code génétique lors de l'étude de l'hérédité à l'échelle de l'organisme, la synthèse des protéines à propos de la biologie cellulaire. Il faut attendre les programmes de 1988 pour une intégration cohérente et synthétique de la biologie moléculaire en terminale : transmission, nature, expression de l'information génétique. Ces programmes traduisent aussi l'exploitation des données récentes sur la structure des génomes des êtres vivants en proposant l'étude de l'évolution à l'échelle des molécules (les parentés moléculaires). Dans le cadre de la réforme des lycées, le nouveau programme de première S applicable à la rentrée 1993, associe matière énergie et information génétique. Il s'agit de comprendre comment le programme génétique, présent dans l'oeuf et ensuite répliqué dans toutes les cellules de l'organisme, régit au cours de la construction et du renouvellement permanent de l'organisme l'exploitation de la matière et de l'énergie empruntées au milieu. En s'appuyant sur des exemples précis, il est demandé de faire la liaison entre le génotype d'un organisme et certaines de ses caractéristiques phénotypiques, d'expliquer comment les différences au niveau des allèles des gènes entraînent des différences au niveau des phénotypes. Le programme invite donc à utiliser les connaissances récentes acquises sur la structure des gènes pour dégager des modèles explicatifs de la relation génotype phénotype. C. C o n s é q u e n c e s pédagogiques Cette évolution dans les contenus et l'esprit des programmes enseignés au lycée a de multiples conséquences pédagogiques positives ce qui n'exclut pas l'existence de problèmes à résoudre. D'abord, les connaissances en biologie moléculaire constituent un système explicatif commun à beaucoup de mécanismes, ce qui permet de définir un ensemble de notions auxquelles on se réfère de manière récurrente (concept de programme génétique, universalité du code génétique, expression des gènes, conséquences des mutations dans l'information génétique, reconnaissance moléculaire basée sur les structures intervenant dans tous les aspects de la communication dans l'organisme, etc.). A condition de bien cerner les concepts indispensables, ceci simplifie d'une certaine manière l'enseignement de la biologie et en augmente la cohérence. En effet, les élèves retrouveront ces concepts en énergétique, neurophysiologie, génétique humaine, immunologie, etc. L'effort initialement consenti pour faire acquérir les notions de base s'en trouve ainsi largement réinvesti. Il convient de noter en second lieu que l'aspect abstrait, "mathématique" des connaissances, qui est perçu parfois uniquement sous l'angle négatif, est en fait cohérent avec la tonalité des autres enseignements scientifiques au lycée. Depuis quelques années, beaucoup d'enseignants et d'élèves expriment leur satisfaction de pouvoir approcher avec précision les explications qui s'expriment par des lois et qui permettent donc des prédictions. Dans une certaine mesure, le statut de l'enseignement de la biologie au lycée peut en être changé. Dans le registre des difficultés à pallier, il convient de souligner également que les niveaux explicatifs actuels de nombreux phénomènes, font appel à des connaissances diversifiées, qui se situent principalement dans le domaine de la physique et de la biochimie. L'introduction de ces connaissances implique une coordination des différentes disciplines (à travers la complémentarité de leurs programmes). C'est le cas, par exemple, pour les conversions énergétiques au sein des organismes vivants, qui obéissent aux lois de la physico-chimie tout en gardant la spécificité de leur réalisation par ces organismes. Mais que ces coordinations soient effectives ou non, les biologistes auront besoin, pour s'appuyer sur ces notions, de s'assurer de leur maîtrise et le cas échéant d'introduire les connaissances nécessaires afin de dispenser un enseignement au niveau de formation scientifique visé. Si on perçoit, dans l'ensemble, les signes d'une certaine adhésion à ces évolutions, il faut admettre en revanche qu'il est quasiment impossible de proposer aux élèves en biologie moléculaire des activités manipulatoires formatrices. Cet état de fait n'est ni récent ni spécifique du domaine de la biologie moléculaire : l'enseignement de la biologie et de la géologie est devenu coutumier, depuis quelques décennies, de l'utilisation des techniques qui aident à approcher et expliquer des phénomènes dont l'intérêt scientifique, pédagogique et social n'est pas contesté, mais sur lesquels une action directe n'est pas possible. Pour faire face à cette situation bien connue en biologie moléculaire comme dans les autres domaines, il est indispensable de rechercher des solutions qui font accéder les élèves aux phénomènes et aux connaissances visés, notamment à l'aide d'activités pratiques. Ces activités, qui ne peuvent pas se réduire à la mise en oeuvre de procédés techniques, doivent avoir pour objectifs de confronter les élèves avec des faits sur lesquels peut s'exercer le raisonnement, de leur proposer de résoudre des problèmes signifiants, de décrire quantitativement et de comprendre le plus précisément possible les lois qui régissent les phénomènes biologiques. En déterminant les séquences des gènes et des protéines pour de nombreux organismes, les techniques de génie génétique ont contribué, dans une certaine mesure, à conférer aux molécules, une dimension "palpable", concrète. "Le gène était une abstraction nécessaire, un être de logique. Le voilà entré dans la réalité moléculaire, le voici objet chimique. (...) (il) peut être manipulé. Sa structure est connue. Elle peut être modifiée à volonté (...). Les biologistes se trouvèrent en mesure de dépasser le caractère abstrait et formel de la notion de gène pour pénétrer beaucoup plus avant leur structure et leur mode de fonctionnement (...)" (P. Kourilsky, Les Artisans de l'Hérédité) Ces séquences constituent désormais des données de référence et des objets réels d'observation, de quantification, d'analyse, etc., avec lesquels on peut, notamment, mettre en relation génotype, phénotype moléculaire et phénotype clinique. Constituées en bases de données internationales informatisées depuis plus d'une décennie, ces séquences sont traitées avec des logiciels spécifiques Données et programmes de traitement peuvent constituer des instruments appropriés à l'enseignement, dans des conditions qu'il convient de déterminer et sur lesquelles porte pour l'essentiel le travail exploratoire présenté ici. II. B A N Q U E S D E D O N N E E S E T L O G I C I E L S D E T R A I T E M E N T EN BIOLOGIE MOLECULAIRE A. Les bases de données internationales Au cours des années 60 et 70 des atlas et des ouvrages spécifiques sont d'abord consacrés aux quelques dizaines puis quelques centaines de séquences publiées dans la littérature (vers la fin des années 70, un millier de séquences protéiques étaient publiées). L'utilisation des moyens informatiques va suivre très rapidement l'évolution des techniques en génie génétique et l'explosion du nombre de séquences disponibles. Entre 1980 et 1985, des bases de données sont constituées aux Etats Unis : GenBank, National Board and Research Fondation - Protein Information Ressources (NBRF-PIR), NEW AT (banque de données protéiniques), en Europe : European Molecular Biology Laboratory (EMBL), SWISS-Prot, et au Japon : DNA Data Bank of Japan (DDBJ) puis International Protein Information Databa in Japan (JIPID). Les objectifs de ces bases sont de trois ordres : constituer des archives fiables des données, en permettre la consultation et la manipulation en fonction de différents critères, associer à ces données des outils d'analyse. Une coopération est maintenant entamée entre ces différentes bases, pour homogénéiser les formats, partager le travail de saisie des données et constituer peut-être à long terme une seule base de données de référence. Ces bases nucléiques, protéiques ou les deux, sont implantées sur de gros systèmes informatiques, accessibles aux chercheurs de différentes manières : à travers les réseaux de télécommunication, au moyen de mises à jour sur CDROM, ou bien sous la forme d'extraits sur disquettes. Ces bases contiennent maintenant des milliers de séquences ; au fur et à mesure que ce nombre augmente, on constate une structuration en sous bases spécialisées, par organisme par exemple. Pour accéder à des séquences spécifiées, des systèmes d'interrogation sont associés à chaque banque, qui utilisent différents critères de tri : numéro d'enregistrement (souvent signalé dans certaines publications), Auteur (s), Journal, organisme, caractéristiques, contenu des textes de commentaire, etc. Chaque "entrée" ou item trouvé par l'équation de recherche contient un ensemble d'informations associées à la séquence proprement dite. Presque toutes les séquences des bases sont annotées. Une partie des informations est destinée à retrouver les sources. Les annotations les plus importantes concernent l'analyse de la séquence, l'emplacement des différents signaux, des exons et des introns, la localisation des éventuelles mutations, ainsi que d'autres particularités de la séquence. Comme le E M B L gère simultanément des données nucléiques et protéiques, on trouve signalé dans les commentaires concernant une séquence d ' A D N le numéro d'accès à la protéine correspondante si celle-ci est archivée dans la banque. Suit enfin la séquence proprement dite (fig. 1). ID XX AC XX DT DT XX DE XX KW XX OS OC OC XX RN RP RA RT RT RT RL XX DR XX CC CC CC CC CC XX FH FH FT FT FT FT FT FT FT FT FT FT FT FT FT FT FT XX SQ HSH33G2 standard; DNA; PRI; 913 BP. X05855; Y00108; 06-JUL-1989 (Rel. 20, Last updated, Version 1) 29-NOV-1987 (Rel. 14, Created) Hunan histone H3.3 gene exon 2 histone H3.3. Homo sapiens (human) Eukaryota; Animalia; Metazoa; Chordata; Vertebrata; Mammalia; Theria; Eutheria; Primates; Haplorhini; Catarrhini; Hominidae. [1] 1-913 Wells D., Hoffman D., Kedes L.; "Unusual structure, evolutionary conservation of non-coding séquences and numerous pseudogenes characterize the human H3.3 histone multigene family"; Nucleic Acids Res. 15:2871-2889(1987). SWISS-PROT; P06351; H33SHUMAN. for histone H3.3 gene séquences see also: exon 1 X05854 exon 3 X05856 exon 4 X05857 Data kindly reviewed (ll-May-1988) by Kedes L. Key Location/Quaiifiers precursor_RNA <1. .>913 /note="primary transcript" <1. .472 /note="intron I" 109..109 /note="purine" 473. .623 /note="exon 2" 473..495 /note="5' UT-region" 496..623 /note="histone H3.3 (AA 1-43) (623 is 2nd base in codon)" 624. .>913 /note="intron II" intron unsure mRNA misc_feature CDS intron Séquence 913 BP; 269 A; 140 C; 193 G; 308 T; 3 other; atattttcag atatttacag caatccatca acagteagae gaaggggggg gggggggagt aagacctttt ttttgctgta atttgactcg accttccart ttttttcttt tgacttgttt gtggatggaa tgtttacaga catttctaat attaaataaa ttggatcaaa ggccgttcga ggtatttttg ttttgccgtt aattggcatt ttgagaggtg attgatactg ctaacaattt tetagtaetc aagaagagat tttgggtaga cgtaatcttc acctttcaaa ttatataaca tattttttat actgatcata atttecagat ttggggaggg ggtgatcgtg ttgtatgttt ggtagttgca tatggtgatt tttgattttt caatgctggt ggaggtctct gtaccatggc tcgtacaaag cagactgccc gcaaatcgac gcacccagga agcaactggc tacaaaagcc gctcgcaaga gtgcgccctc gtgaagaaac ctcatcgtta caggtattaa aaaacaggaa aaaaatggga ttgtatgtat ccatataatt taacaaaaag atggataaca ggaaaacttt gaaacttttt tttttcattt gaacacttaa etaetgetta aataaatgta atttatatat aaagttaagt attaggtttt attnaaacgt ttaactttna ttacctggag gtctaaggag acetegtata tcactgataa tgttaatggg attttagtta acc Fig. 1.- Exemple de fiche descriptive données du EMBL. d'une séquence cagccaaagt ggtttgtgcc taetgettta tgtcgctcag tagtttgttt atacgaacat gcaggaaaag aggtaagtaa cggtggtaaa tactggaggg caagtctctc ttgctttaga ctgtatgatc agecataate atatattgac issue de la base de B. Les traitements des séquences En se référant aux exploitations que les chercheurs font de ces séquences, on constate qu'il se dégage quelques approches principales qui concernent les fonctions, les structures et l'évolution des molécules. 1. La comparaison de séquences : elle a pour but d'identifier des similitudes, de les quantifier et d'évaluer si les ressemblances observées sont sensiblement différentes d'une répartition aléatoire et se prêtent, dans ce cas, à la recherche d'autres explications. Ces comparaisons ont pour objectifs, d'une part, de retrouver des éléments ou des motifs communs entre les séquences, et d'autre part "d'aligner" les séquences en calculant les positions des différents résidus qui les composent de manière à obtenir le maximum de similitude. En montrant des domaines de ressemblance et des similarités globales, on ouvre la voie à des interprétations concernant les mécanismes explicatifs éventuels. Cette opération d'alignement se fait manuellement de manière courante dans les laboratoires de recherche quand elle n'implique qu'un nombre limité de séquences courtes. L'utilisation de l'informatique est indispensable quand il s'agit de rechercher les similitudes entre une séquence déterminée et des ensembles de séquences déjà connues et archivées. La mise au point d'algorithmes d'alignement multiples performants et d'indicateurs aidant à l'évaluation fine des résultats mobilise encore nombre d'équipes de recherche. 2. L'analyse des séquences : ce domaine comporte plusieurs niveaux de complexité. L'analyse peut se limiter à des descriptifs simples de la composition d'une séquence (acides aminés ou codons utilisés, masse molaire, etc.), opérer les conversions possibles entre différents types de séquences (passage de l ' A D N à l ' A R N , traduction en protéine, etc.), porter sur la recherche de signaux et de motifs particuliers (sites de restriction) et aider à localiser des régions codantes. Elle peut également viser la prédiction de structures : la conformation spatiale de la molécule (structure secondaire, tertiaire, etc.), ainsi que les évaluations qu'on peut calculer sur son caractère hydrophile ou hydrophobe, sur son antigénicité, etc. 3. L'évolution moléculaire : la comparaison des séquences d'ADN et de protéines et la quantification de leurs ressemblances ouvre en particulier la voie à des analyses concernant les mécanismes de diversification du génome, sur la conservation ou non des fonctions de certaines molécules compte tenu de cette diversification, ainsi qu'à la construction d'arbres sur des bases moléculaires pour rendre compte des filiations possibles entre les espèces. C. Les choix opérés dans les logiciels disponibles Les outils nécessaires à ces traitements sont en général associés aux banques de données implantées sur de gros systèmes serveurs. Ils permettent ainsi de réaliser à distance, la recherche de données, leur extraction et leur exploitation. Les programmes de traitement regroupent souvent des modules et des algorithmes mis au point par différents chercheurs un peu partout dans le monde. Pratiquement tous les algoritmes de traitement utilisés ont fait l'objet de publications. Les programmes réalisés sont donc souvent du domaine public. En France, le système Bisance, implanté sur le serveur du Centre Interuniversitaire de Traitement de l'Information (rue des Saints Pères, à Paris) donne accès aux données de différentes banques (Genbank, E M B L , etc.) et aux traitements à travers neuf menus principaux et un langage de commande. Des systèmes d'interrogation similaires sont associés aux banques de données sur le serveur même où elles sont implantées (Protéine Séquence Query, par exemple, pour accéder aux données de NBRF-PIR). Certains grands organismes de recherche possèdent leur propre jeu de programmes qui sont constitués de centaines de modules correspondant aux procédures et algorithmes mis au point progressivement. Tant par leur richesse que par leur diversité et même hétérogénéité, ces outils ne peuvent se prêter à un travail pédagogique utile au lycée. La plupart d'entre eux ne comportent d'ailleurs pratiquement pas d'interface et ne sont vraiment utilisables que par leurs auteurs. Depuis quelques années, avec l'évolution technique, des logiciels plus ou moins spécialisés sont écrits pour les micro-ordinateurs, reprenant parfois les mêmes algorithmes implantés sur les gros systèmes. On trouve ainsi des logiciels spécifiques pour la gestion de banques de séquences locales, les conversions du format des données issues des grandes banques internationales, l'aide au séquençage ou à la lecture d'électrophorèses, l'établissement de cartes de restriction, le tracé de structures spatiales, l'alignement multiple, le calcul d'arbres phylogénétiques, etc. Beaucoup de ces logiciels sont du domaine public. D'autres logiciels regroupent certaines des fonctions spécifiques des précédents. Certains de ces logiciels "généraux" sont des produits commerciaux (cf. informations pratiques), alors que la diffusion de certains autres, sans but lucratif, est autorisée (ils sont considérés comme étant du domaine public). Parmi ces logiciels, en tenant compte des programmes d'enseignement, nous nous sommes intéressés d'une part aux logiciels d'analyse de séquences, et d'autre part aux logiciels de construction de phylogénies écrits pour des microordinateurs compatibles PC. Le logiciel SEQAIDII, présente l'intérêt d'être diffusé librement. Déjà utilisé (et testé) par des chercheurs en France, il propose un nombre important de fonctionnalités concernant l'alignement et l'analyse de séquences. D'ergonomie un peu ancienne (déroulement par menus successifs) il a en revanche l'avantage de fonctionner sur tous les équipements (avec écran monochrome ou en couleur, sur disquette, etc.). Bien qu'il soit de syntaxe anglaise, nous avons retenu ce logiciel comme outil de base pour concevoir les activités susceptibles d'être proposées aux élèves en vue de la mise en pratique (et l'apprentissage) de concepts fondamentaux en biologie moléculaire et d'une approche plus précise de la génétique. En ce qui concerne la construction de phylogénies, les logiciels classiques du domaine (qui sont souvent aussi des logiciels d'alignement multiple) se réduisent pour la plupart à des outils de calcul pratiquement sans interface utilisateur et sans sorties aisément exploitables Un nouveau logiciel de recherche en cours de développement au laboratoire de biologie cellulaire de l'Université d'Orsay renouvelait ces outils en y introduisant une dimension graphique importante et en y associant des fichiers consistants de données (séquences nucléiques et protéiques) directement exploitables. En accord avec les chercheurs, nous avons retenu l'option de particiciper à la conception d'une version du logiciel adaptée à l'enseignement. III. E N S E I G N E R L E S C O N N A I S S A N C E S D E B A S E A V E C U N L O G I C I E L D ' A N A L Y S E D E S E Q U E N C E S (SEQAIDII) Le travail de recherche a été basé totalement sur l'exploitation de la version anglaise du logiciel. Au moment de la conception de ce rapport, la production d'une version française est en cours de réalisation. Pour la lisibilité des descriptions, les principales pages d'écran sont donc fournies en français, sachant néanmoins que cette version n'est pas encore stabilisée. A. Fonctionnalités d u logiciel SEQAIDII accepte des données au format de GenBank ; celles qui proviennent de E M B L ou de N B R F - P I R doivent donc être mises au format du logiciel (il existe des outils spécifiques qui réalisent ces conversions de format, mais on peut aisément le faire avec un éditeur de texte). Chaque séquence doit être contenue dans un fichier particulier. Chaque fichier (ou enregistrement) comporte nécessairement le nom de la séquence en première ligne et tous les résidus en lettres capitales dans les lignes suivantes. La séquence proprement dite peut être précédée d'un nombre variable de lignes de commentaires qui sont affichées par certaines fonctions du logiciel mais ignorées dans les fonctions de traitement. Le menu principal du logiciel se présente de la manière suivante (fig. 2) : S e q A i d No 1 2 3 4 I I {tm) Fichier 3.81 Date: 12-09-1992 Heure:12:50:222 Fl = A I D E MENU ENTREE DONNEES L e c t u r e / E c r i t u r e sur d i s q u e E d i t e r , créer des séquences R e t i r e r une s é q u e n c e de la m é m o i r e AUTRES Fragments d'ADN GenBank : accès Changer version Répertoire: D:\SEQAID.SRC\ Mémoire libre: 402656 résidus PRINCIPAL FONCTIONS : t a i l l e et m o b i l i t é à la b a s e de d o n n é e s SEQAID.CNF ou .COD ANALYSE DE SEQUENCE Alignement avec discontinuités Bases utilisées : nature, fréquence V i s u a l i s a t i o n de s i m i l i t u d e Détection d'exons probables P r é d i c t i o n s de s t r u c t u r e p r o t é i q u e S i t e s p a r t i c u l i e r s d a n s l'ADN Traduction ENVIRONNEMENT SEQAID Modifier (Bip/Silence) Quitter pour DOS Choix : Fig. 2.- Ecran principal du logiciel SEQAIDII. La zone du haut de l'écran recevra les séquences qui seront chargées en mémoire. Celle du bas est réservée à l'affichage des menus et de certains dialogues. Le logiciel est conçu comme une succession de menus et de sous-menus. Il est possible de modifier la configuration de l'installation du logiciel qui fonctionne, par défaut, avec un ensemble de fichiers fournis par les concepteurs (code génétique, données sur les acides aminés, liste d'enzymes de restriction, etc.). Les fonctions disponibles peuvent être regroupées en quatre ensembles qui organisent l'accès aux informations, en permettent l'édition, la comparaison et l'analyse. 1. Lecture, écriture, visualisation de séquences a. Recherche de séquences dans un fichier issu de GenBank, en utilisant des utilitaires similaires à ceux que nous avons mentionnés à propos du CDROM du EMBL (numéro de la séquence, auteur, journal, organisme, etc.). b. Accès à des séquences archivées sur un disque, lecture et écriture dans n'importe quel répertoire existant (le logiciel est ainsi totalement ouvert sur l'environnement) ; affichage à l'écran ou impression du contenu d'une séquence, chargement en mémoire des séquences pour un volume total qui est fonction de la taille mémoire disponible (fig. 3). S e q A i d No 2 3 4 5 6 Fichier HBBADNC.ADN HBBARNM.ARN HBBCOD.ADN HBB$HUMA.PRO HBB'THAl.ADN Taille 626 669 441 146 441 Type nue nue nue p tn nue I I (tm) Edité version R é p e r t o i r e : D : \ S E Q A I D .SRC\ M é m o i r e l i b r e : 3 4 3 1 0 9 rés idus Date: 12-09 -1992 H e u r e : 1 7 : 2 7 :017 Fl = A I D E ENTREE/SORTIE Répertoire: 3.81 DISQUE D:\SEQAID.SRC\ FICHIER REPERTOIRE Charger Sauvegarder Renommer E f f a c e r (sur Accéder Modi f i e r disque) QUITTER Choix : Fig. 3.- La nature de la séquence (nucléique ou protéique) est précisée par l'utilisateur (sans contrôle du logiciel). Le numéro, le nom et la longueur de la séquence sont affichés automatiquement. Les flèches vers le haut et vers le bas indiquent la présence de séquences dans les parties cachées de la fenêtre. c. Manipulation des séquences : charger, sauvegarder, effacer, renommer, modifier le chemin d'accès à un répertoire, visualiser les séquences sur écran ou sur imprimante (le logiciel gère quelques paramètres de l'impression : taille et densité des caractères, longueur des lignes, etc). d. Modification de la configuration d'installation du logiciel et définition temporaire d'un code génétique non standard. 2. Edition et conversion de séquences Cet ensemble de fonctions permet à l'utilisateur d'enrichir la banque de données accessibles directement par le logiciel (fig. 4). MENU DE L'EDITEUR DE SEQUENCE Aligner, comparer modifier deux séquences en mémoire Convertir, copier, transcrire une séquence Modifier des séquences Saisir une séquence au clavier Nommer une séquence en mémoire Imprimer, afficher, sauvegarder une séquence Retirer une séquence de la mémoire Option Majuscules/Minuscules Quitter Choix : Fig. 4.- Menu EDITE du logiciel a. Entrée d'une séquence au clavier Le programme propose deux modalités d'entrées : l'une est limitée à 70 résidus avec nécessité d'une confirmation (donc double entrée des données) ; la seconde, plus simple permet d'entrer jusqu'à 1000 résidus à la fois. L'utilisateur précise la nature de la séquence qu'il souhaite créer ; en fonction de ce choix le programme utilise des filtres pour contrôler les caractères frappés et éviter les erreurs (fig. 5). MODIFICATION DES TABLES DE TRADUCTION DE SEQAID 1 let. 3 let. AA# AA# 1 let. 3 let. AA# A 1 Ala 11 M Met 21 2 C Cys 12 N Asn 22 3 D Asp 13 P Pro 23 4 E Glu 14 Gin 24 Q 5 F Phe 15 R Arg 25 6 G Gly 16 S Ser 26 7 H His 17 T Thr 27 I V 8 Ile 18 Val 28 9 K Lys W 19 Trp 29 10 L Leu 20 Y Tyr 30 modif. trad. Codons., Acides aminés, valeurs Fig. 5.- Correspondance entre les codes 1 lettre et 3 lettres pour protéines. Le logiciel accepte majuscules et minuscules. les b. Fabrication d'une séquence à partir d'autres séquences archivées Extraction d'une portion de séquence, concaténation de deux morceaux, troncature d'une séquence, altérations (modifications) ponctuelles. c. Visualisation d'un enregistrement A chaque séquence peut être associé un commentaire qui peut reprendre certaines descriptions de la base de données originelle, préciser des caractéristiques particulières de la séquence fabriquée. d. Changement de casse (majuscules - minuscules) Le logiciel n'accepte que les séquences figurant en lettres capitales. Cette fonction permet de changer la casse pour tout ou partie d'une séquence ; on peut ainsi préparer des séquences pour des éditions (fabrication de documents par l'enseignant, par exemple) qui respecteraient des conventions d'écriture, par exemple : les majuscules désignent les résidus certains, les minuscules les résidus incertains ; ou bien les majuscules correspondent à des exons, les minuscules à des introns, etc. e. Conversion de séquences S e q A i d No 1 2 3 4 5 Fichier HBB$HUMA.PRO HBBETA.ADN HBBCOD.ADN HBBADNC.ADN HBBARNM.ARN Taille 146 1638 441 626 669 Type ptn nue nue nue nue II Edité (tm) version 3.81 Répertoj re: D:\SEQAID.SRC\ Mémoire libre: 350224 résidus Date: 12-14-1992 Heure:13:18:211 Fl = AIDE TRADUCTION DE SEQUENCE ET CADRE DE LECTURE Traduire une séquence d'ADN ou d'ARN Rechercher les cadres de lecture Inverser la traduction (protéine vers ADN) Quitter Traduction de 1 jusqu'à 667 DICF<HNCVH<QPQTDTMVHLTPEEKSAVTALWGKVNVDEVGGEALGRLLWYPWTQRFFESFGDLSTPD 70 AVMGNPKVKAHGKKVLGAFSDGLAHLDNLKGTFATLSELHCDKLHVDPENFRLLGNVLVCVLAHHFGKEF 140 TPPVQAAYQKVVAGVANALAHKYH<ARFLAVQFLLKVPLFPKSNY<TGGYYEGP<ASGFCLIKNIYFHCK 210 KKKKKKKKKKKKK 22 3 ...Cadre de lecture encore ouvert en fin de séquence... Continuer jusqu'au prochain codon stop ou Menu suivant Acide nucléique aligné avec la protéine correspondante Séquence protéique Table de fréquence des codons Composition en acides aminés Quitter Fig. 6.- Fonctions présentées par les 2 menus successifs de traduction. - Passage de l'ADN à l'ARN (T est remplacé par U) ou inversement. Attention : cette conversion n'est pas véritablement une transcription ; elle en fournit le résultat sans passer par son mécanisme réel (à partir du brin complémentaire) puisque les séquences d ' A D N données sont constituées d'un seul brin, celui qui n'est pas transcrit. - "Traduction" d'un A D N ou d'un ARN en polypeptide (accessible à partir du menu principal). Le point de départ de la traduction est précisé par l'utilisateur. Le programme s'arrête au premier codon d'arrêt rencontré mais propose de continuer fictivement la traduction (jusqu'au prochain codon d'arrêt). On peut visualiser la protéine seule ou alignée avec la séquence nucléique, examiner les différents codons utilisés dans la séquence nucléique ou la composition de la protéine en acides aminés, etc. Les séquences résultant des traductions peuvent être conservées en mémoire puis sauvegardées sur disque. - "Traduction reverse" : en remontant de la protéine vers les différents codons possibles (étant donné le caractère dégénéré du code génétique) pour chaque acide aminé. - Recherche de cadres de lecture : cette fonction traduit une séquence nucléique en partant de la 1ère, 2ème et 3ème base. Deux modalités d'obtention et d'affichage des résultats sont prévues : • Présentation graphique : la traduction de la séquence est réalisée automatiquement pour les trois cadres de lecture qui sont affichés simultanément. La présence du codon initiateur et des codons d'arrêt est mise en évidence par les caractères " " et " v " respectivement. Les différents acides aminés sont symbolisés par un tiret " - ". A . Présentation sous la forme d'un tableau : le logiciel demande quelle dimension minimum, encadrée par un codon initiateur et un codon d'arrêt, il faut rechercher. En fonction des ces indications (qui peuvent être formulées connaissant la longueur de la protéine codée par la séquence), un tableau est affiché qui précise pour chaque portion trouvée la position du triplet d'initiation, du codon d'arrêt, ainsi que la longueur de la séquence traduite en acides aminés. 3. La comparaison (alignement) de séquences Trois types d'alignement sont prévus : a. La recherche d'une similitude globale entre deux séquences. Celles-ci sont comparées par "groupes" de bases ou d'acides aminés (plus la taille du groupe est grande, plus la comparaison montrera les similitudes sur des segments longs). Chaque identité résultant de cette comparaison est symbolisée par un point (on parle d'une matrice de points). On construit ensuite un graphique avec l'une des séquences en x et l'autre en y. Les portions identiques montreront un alignement régulier de points sur la diagonale (fig. 7). HOMOLOGY GRAPHICS Date: 12-10-1992 Time: 17:37:34 1 to 1626 for HBBETA.ADN on horizontal axis 1 to 650 for HBRADNC.ADN on vertical axis Each character represents 25 bases. 19 Matches reported as dots 012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 0 226 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 0 476 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345 System Time: 17:37:37 Fig. 7.- Matrice des similitudes entre deux séquences. L'analyse de ce graphique permet de localiser les segments, similaires ou différents, à analyser de manière plus détaillée avec d'autres fonctions. Par exemple, les trois alignements de points représentent les exons de ce gène. b. L'alignement sans recherche de discontinuités Cette fonction est adaptée pour des séquences très proches et sans discontinuités et met en évidence des différences ponctuelles. Elle propose soit un alignement automatique,.à partir de positions de départ calculées par le logiciel, soit une définition par l'utilisateur des positions à partir desquelles il faut aligner les deux séquences (fig. 8). A l'affichage, les résidus différents sont matérialisés par un code couleur ; les deux séquences peuvent ensuite être modifiées ou décalées l'une par rapport à l'autre ; on peut aussi les parcourir dans les deux sens. c. L'alignement avec recherche de discontinuités : l'utilisateur spécifie pour chaque séquence, les positions à partir desquelles le programme doit chercher à aligner, ainsi que le nombre minimum de résidus identiques consécutifs à prendre en considération. Le logiciel recherche les différents alignements possibles (qui traduisent plus ou moins bien la similitude entre les deux séquences) et affiche un score de similitude. Comparaison de HHBADNC.ADN 1 jusqu'à 626 I jusqu'à 1638 avec HBBETA.ADN Alignement par groupes de :6 Numéro d'alignement :1 Nombre d alignements :620 Nombre de discontinuités : 2 Heure de début:13:14:22 Heure de fin:13:14:26 v v v v v v v v HHBADNC.ADN 48 HBBETA.ADN 80 ACATITCKTITCTTCL^CACM CATAAAAGTCAGGGCAGAGCX]^^ v v - v v v v v v HHBADNC.ADN 128 HBBETA.ADN 160 v HHBADNC.ADN 140 HBBETA.ADN 240 v HHBADNC.ADN 158 HBBETA.ADN 320 ccAranrx^crac^c^^ v v v v v v v GAGGCCCTGGGC GAGCXXXHTXXXWÎGTTGK^^ v v v v v v v AGGCIXXnX3CnX3GTCTAC AGACIXTTTGXXjTITCTC v v v v v v v v HBBADNC.ADN 238 HBBETA.ADN 400 (XTRXWX)CAGAG(ÏÏTCT OTTGŒAœCAGAGCTTOT Fig. 8.- Alignement d'un gène et d'un ADNc mettant en évidence promoteur, exon et intron. Le logiciel ne peut aligner que deux séquences dont la longueur totale ne dépasse pas 14 000 bases. d. On peut rapprocher de ces comparaisons une fonction qui calcule la probabilité pour qu'un nombre de résidus similaires dans deux séquences soit dû au hasard. L'utilisateur doit spécifier la longueur d'une des séquences ainsi que le nombre de résidus identiques trouvés. Pour une séquence nucléique, de calcul se fait sur la base d'une probabilité de 25% pour q'une base azotée soit présente du seul fait d'une répartition aléatoire. Il faut donc que la proportion de bases identiques soit nettement supérieure à ce taux pour qu'une explication de cette ressemblance par un facteur que le hasard soit acceptable. 4. Analyse de séquences On peut regrouper dans cet ensemble les fonctions suivantes : - composition d'une séquence nucléique (décompte des codons utilisés) ou protéique (acides aminés utilisés et calcul de la masse molaire de la protéine), - établissement d'une carte de restriction d'une séquence ; une liste de 114 enzymes de restriction est proposée par le logiciel, liste qui peut être enrichie par l'utilisateur ; de manière plus générale, cette fonction permet de rechercher une suite quelconque de résidus (donc des motifs particuliers), - localisation, dans une séquence anonyme, de parties (probablement) codantes, en utilisant les fréquences des codons utilisés dans des séquences codantes connues, - prédiction de l'hydrophobicité d'une protéine (fig. 9), et de son antigénicité, le calcul de la probabilité pour que des parties aient une structure secondaire du type hélice alpha ou feuillet bêta, etc. Hydrophilic residue 1 V 2 H 3 L 4 T 5 P 6 E 7 B 8 K 9 S 10 A 11 V 12 T 13 A Score 4.20 -3.20 3.80 -0.70 -1.60 -3.50 -3.50 -3.90 -0.80 1.80 4.20 -0.70 1.80 Avg. -0.643 -1.800 -1.457 -1.743 -1.043 -0.914 -0.157 0.886 1.314 1.371 0.557 0.557 0.157 0 Hydrophobic * * t t t t, , t ,t , t t Fig. 9.- Affichage de l'hydrophobicité calculée d'une protéine (fragment). Sur une échelle allant de -4,5 à +4,5, l'hydrophobicité est calculée pour chaque acide aminé et les n acides aminés suivants. B. B a n q u e de données associée à S E Q A I D I I 1. Constitution de la banque Le nombre de séquences disponibles étant considérable, une sélection s'impose. Pour constituer une banque de données adaptée à l'enseignement nous avons pris en considération plusieurs facteurs : - Les connaissances actuellement exigibles dans différentes sections au lycée, et dans une certaine mesure, dans les classes préparatoires aux Grandes Ecoles et le premier cycle universitaire ; les thèmes d'enseignement qui sont présentés ci-dessous illustrent l'adéquation que nous avons recherchée. - Les gènes pour lesquels on dispose de données qui permettent de les utiliser dans l'étude de différents thèmes, même si certains d'entre eux sont plus particulièrement indiqués pour un thème spécifique. - Les gènes étudiés classiquement en hérédité humaine afin de favoriser le lien entre génétique moléculaire et génétique formelle. - Les fonctions offertes par le logiciel S E Q A I D I I , en nous attachant particulièrement aux opérations qui sont compréhensibles et réalisables par les élèves eux mêmes. Nous avons ainsi tenté de rechercher les situations qui se prêtent à des activités individuelles de recherche et de traitement, ainsi qu'à des phases collectives d'interprétation, d'explication et de synthèse. Nous avons également voulu introduire dans la banque un nombre suffisant de gènes, pour que l'enseignant puisse, à différents moments de l'année, opérer un choix et utiliser les données adaptées à tel ou tel chapitre du programme qu'il est en train de traiter En consultant les bases de données disponibles, on constate une grande diversité dans le contenu des items, reflet de la diversité des publications de référence : gènes entiers, pseudogènes, parties codantes, exons ou introns complets, fragments divers, allèles, etc. La constitution de la banque pour l'enseignement a donc bénéficié de nombreuses séquences extraites des bases internationales et, pour une large part, des publications scientifiques originales concernant ces séquences. En se référant à ces publications, un très grand nombre de séquences a été reconstruit avec les fonctions d'édition du logiciel SEQAIDII. La confrontation systématique des séquences issues des bases de données avec les publications a permis d'effectuer le contrôle indispensable des séquences. De la même manière, on a contrôlé les transcriptions, traductions, alignements réalisés par le logiciel en les comparant aux informations et aux séquences présentes dans les bases de données et dans les publications scientifiques. 2. Contenu de la banque Quelques conventions simples ont été retenues pour la dénomination des séquences (8 lettres maximum) afin d'indiquer l'organisme, le type de séquence (gène entier, exons, etc.), ainsi que sa nature nucléique ou protéique. Pour la plupart des gènes, ont été constitués des fichiers correspondant aux séquences suivantes : - le gène complet (x.ADN, où x désigne en abrégé le nom du gène) s'il est disponible et si sa longueur n'est pas trop grande ; dans certains cas, seuls les exons ont pu être retenus, - la séquence de l'ARN messager (xARNmARN), - la séquence d'ADN correspondant à l'ARN messager dépourvu de sa coiffe et du poly A (xADNc.ADN), - La séquence du gène strictement codante (xCOD.ADN) correspondant à la protéine strictement traduite (donc avec ATG en tête). - la protéine réelle (x.PRO, x incluant en abrégé le nom de la protéine et son caractère ribosomial, membranaire ou sécrétée), - différents allèles du gène, s'il en existe. «A : \ » «F : \ » «K : \ » «P: \ » «U: \ » «Z : \ » BETATHA MBBARNM HBB'DRE HBB'THA 3 . ADN . ARN P. A D N 5 .ADN D a t a P a t h : D : \BIOMOL\SF,QA J D 3 8 \ Directory : D : \BIOMOL\SEQCOM\(iLOBINES\BETA\ «B : \ » «C: \» «D: \ » «E: \ » «G: \ » «H : \ » «J : \ » «J : \ » «L : \ » «M: \ » «N: \» «O : \ » «Q:\» «R : \ » «T:\» «S : \ » «V : \ » «W : \ » «Y : \ » «X : \ » «PREV DIR» B E T A T H A 1 . ADN HBBETA'.ADN BETATHA2.ADN BETATHA4.ADN HBB$HUMA. PRO BETATHA5.ADN HBBCOD.ADN HBBADNC.ADN H B B ' T H A Ï . ADN HBB'HEMC.ADN HBBETA.ADN HBB'THA8.ADN H B B ' T H 3.ADN HBB'THA2.ADN HBB'THAI.ADN HBB'THAG.ADN HBB'THA7.ADN Fig. 10.- Diverses séquences correspondant allèles.présentes dans la banque de données. au gène bêta et ses Le gène, l'ARNm et la protéine constituent des objets biologiques réels. Le transcrit primaire qui appartient aussi à cette catégorie est peut-être une des adjonctions à réaliser. Les informations suivantes ont déjà été incorporées dans la banque : a. les gènes qui codent pour les différentes chaînes de l'hémoglobine - gène alpha, qui s'exprime dans la période foetale et ultérieurement chez l'individu adulte, - gène bêta et delta qui s'expriment durant la vie adulte (avec une proportion très réduite de la chaîne delta par rapport à la chaîne bêta ; les allèles du gène codant pour l'hémoglobine bêta constituent un modèle pour les différentes mutations qui peuvent affecter le gène. - gène gamma, qui s'exprime exclusivement pendant la période foetale. Les gènes codant pour ces globines forment une famille multigénique. b. Le gène qui code pour une enzyme qui intervient dans la dernière étape de la synthèse des antigènes du groupe sanguin ABO. Seule est retenue la partie codante. Les trois allèles de ce gène constituent un exemple pour montrer des variations génétiques non pathologiques. c. Les gènes qui codent pour le système HLA : l'extrême polymorphisme de ces gène est remarquable avec de nombreux allèles tous fonctionnels ; leurs allèles présentent de nombreuses parties communes ainsi que beaucoup de substitutions et de délétions, et constituent un autre exemple de famille multigénique. d. le gène qui code pour le récepteur aux lipoprotéines a de nombreux allèles dont certains présentent des délétions importantes. Selon l'endroit affecté par la mutation, il peut y avoir soit absence d'internalisation du complexe récepteurL D L , soit un déficit dans la liaison aux L D L , soit une absence totale du récepteur. Il en résulte, dans tous les cas, un niveau élevé de cholestérol dans le sang. Ce gène étant très grand, on n'a retenu que les exons interrompus par des " N (n'importe quelle base) pour représenter les introns. Ces exons permettent d'étudier les possibilités de genèse d'un gène au cours de l'évolution par amplification d'un exon et par association d'exons appartenant à d'autres gènes. 11 e. Le gène qui code pour une enzyme impliquée dans la conversion de la phénylalanine en tyrosine, dont le déficit est responsable de la phénylcétonurie. Seule est disponible l'ADNc de ce gène très grand. L'intérêt de ce gène est de montrer un exemple où le phénotype clinique est dû à une interaction entre le gène et le milieu : il suffit de ne pas ingérer de phénylalanine pour que le sujet ne présente plus les symptômes cliniques de la maladie. f. Les gènes de la prolactine, de l'hormone de croissance, de l'hormone lactogène placentaire, d'une part, et ceux de la chaîne bêta des hormones FSH, TSH et LH d'autre part, forment deux familles multigéniques qui permettent d'illustrer la notion de "bricolage moléculaire" au cours de la complexification du génome. C. Les thèmes d'utilisation du logiciel et des données Etant donné le caractère particulièrement ouvert du logiciel, il est illusoire de définir une progression pédagogique pour son utilisation qui peut concerner l'un ou l'autre des sujets d'étude possibles, et intervenir avec différents niveaux de prérequis des élèves. Nous nous en tenons aux sujets qui concernent l'enseignement au lycée, sachant que d'autres sont abordables dans les classes préparatoires aux grandes écoles et dans les cycles universitaires, avec probablement un jeu de données élargi. Les thèmes d'étude peuvent concerner : - le code génétique : caractéristiques, cadre de lecture, - les structures de l'ARN messager et du gène chez les eucaryotes - les allèles du gène, - les familles multigéniques et la complexification du génome. Certains de ces thèmes résultent, en partie, des potentialités théoriques ouvertes par les fonctions du logiciel. D'autres sont issues des utilisations pratiques observées dans les classes au cours de l'année scolaire 1991-1992. Nous en donnons plus bas quelques exemples II n'en reste pas moins que tous les sujets n'ont pas encore été éprouvés et ne peuvent conduire à formuler des résultats détaillés. Les gènes présents dans la banque de données sont adaptés à des degrés divers pour au traitement de ces thèmes. Ainsi, tous les gènes se prêtent à la mise en évidence de la relation ADN - protéine, mais on dispose : - du gène complet, de l'ARNm et de la protéine seulement pour les globines, le gène HLA et le récepteur au LDL, - d'allèles des gènes codant pour la chaîne bêta de l'hémoglobine, les antigènes du système HLA, ceux du groupe A B O , les récepteurs aux LDL, et l'enzyme assurant la conversion de la phénylalanine en thyrosine. - de familles multigéniques avec les globines et les deux familles d'hormones (FSH, TSH, LH) et (GH, prolactine et hormone lactogène placentaire). 1. Code génétique : caractéristiques, cadre de lecture Dans un premier temps, une réflexion théorique sur la correspondance entre l ' A D N et un polypeptide, permet de dégager les solutions possibles et les problèmes à résoudre. Ainsi, l'élève dispose d'un guide ouvert pour conduire sa recherche en situation d'autonomie. Deux possibilités sont offertes : - Rechercher les caractéristiques du code génétique à partir de molécules d ' A D N artificielles élaborées au clavier. C'est en somme la situation des généticiens au début des années soixante quand ils ont déterminé le code génétique à partir de la traduction in vitro d'ARNm de synthèse. Le logiciel ne permet pas d'entrer directement au clavier des séquences d'ARN. On peut se contenter d'entrer des séquences d'ADN et établir le code en termes de codons d'ADN. Si on désire déterminer le code génétique en termes d'ARN, il faut convertir l'ADN en A R N avec la fonction correspondante du logiciel. Répétons que cette conversion n'est pas une transcription car elle se borne à remplacer les thymines par des uraciles. Pour établir le code complet, une stratégie, répartissant le travail entre les élèves ou suggérant une manière de résoudre économiquement le problème, est à définir. Plusieurs possibilités de variation sont possibles qui portent sur : - la nature des bases de la séquence éditée (nucléotides tous identiques, deux nucléotides différents se répétant, etc.), - la longueur de la séquence (multiple de 3 ou non), - le cadre de lecture (à partir de la 1ère, 2ème ou 3ème base) de cette séquence. Les caractéristiques du code génétique seront dégagées à partir des informations recueillies par les différents groupes : notion des triplets non chevauchants, redondance, importance des cadres de lecture, codons de terminaison. Cette activité utilise uniquement les fonctions d'édition (saisie de séquences au clavier) et de traduction. - Rechercher les caractéristiques du code génétique à partir des séquences d'ARNm et de polypeptides correspondantes en procédant à des traductions. En particulier, l'option "traduction reverse" d'une protéine donnera toutes les possibilités de codons pour un acide aminé. En conséquence, le tableau du code génétique et son caractère dégénéré pourront être en grande partie retrouvés. On peut partir, par exemple, d'une des chaîne de l'hémoglobine. Reverse Translation of HBB$HUMA. PRO Nucleic Acid bases are ACGT N=Any base R=Purine Y=Pyrimidine Val His Leu Thr Pro Glu Glu Lys Ser Ala Val Thr Ala Leu Trp Gly GTN CAY TTR ACN CCN GAR GAR AAR TCN GCN GTN ACN GCN TTR TGG GGN CTN AGY CTN 16 Lys Val Asn Val Asp Glu Val Gly Gly Glu Ala Leu Gly Arg Leu Leu AAR GTN AAY GTN GAY GAR GTN GGN GGN GAR GCN TTR GGN OGN TTR TTR CTN AGR CTN CTN 32 Val Val Tyr Pro Trp Thr Gin Arg Phe Phe Glu Ser Phe Gly Asp Leu GTN GTN TAY CCN TGG ACN CAR OGN TTY TTY GAR TCN TTY GGN GAY TTR AGR AGY CTN 48 Fig. 11.- 'Traduction reverse" de la chaîne bêta de l'hémoglobine. Il ressort de la mise en oeuvre dans les classes que les élèves (des classes littéraires, notamment) apprécient ces types d'activités. Il convient cependant de leur faire observer que le logiciel propose des fonctions de traitement formelles qui appliquent mécaniquement les connaissances en biologie moléculaire mais qui n'ont rien de biologique C'est ainsi par exemple que la traduction d'une séquence d'acides nucléiques peut aboutir à des codons de terminaison : le logiciel arrête la traduction à ce moment là, mais il la poursuit si l'utilisateur le demande. De même, il faut bien faire remarquer aux élèves que la "traduction reverse" n'existe pas dans la nature. Il existe une difficulté méthodologique difficile à aborder à ce moment du travail mais qui peut être dégagée ultérieurement : la fonction de traduction ne nécessite pas de séquence promotrice ou de codon initiateur. 2. L'ARN messager L'information génétique est contenue dans le noyau alors que les protéines sont fabriquées dans le cytoplasme. Il y a donc nécessité d'un intermédiaire "messager" apportant l'information nécessaire à la synthèse protéique. Pour montrer la relation entre l'ARNm et la protéine fabriquée, l'élève charge en mémoire, pour un gène donné, l'ARNm choisi dans la banque et la protéine correspondante. Il constate, par l'affichage automatique de la longueur des deux séquences que l'ARN est plus long que nécessaire pour la synthèse de la protéine {n nucléotides > 3n' acides aminés). Le problème se pose de savoir quelle partie de l'ARNm est traduite et selon quel cadre de lecture. L'élève peut donc demander la traduction de l ' A R N m (fonction Translate du logiciel). En commençant la traduction successivement à la première, deuxième et troisième base, il se rendra compte, en fonction des codons d'arrêt rencontrés, qu'un seul cadre de lecture convient compte tenu de la longueur de la protéine. Le résultat de la traduction (incluant la protéine probable) sera sauvegardé et comparé à la protéine réelle, par la fonction d'alignement, ce qui permettra de bien délimiter la partie traduite. On localisera ainsi le début et la fin de la partie codante de l'ARNm (hormis le codon A U G qui se trouve devant, puisque la méthionine n'existe plus dans la protéine réelle). Comparaison de PR01 1 jusqu'à 223 avec HBB$HUMA.PRO 1 gusqu'a 146 Alignement par groupes de :2 Numéro d'alignement :1 Nombre d'alignements :146 Nombre de discontinuités :0 Heure de début:13:24:15 Heure de fin:13:24:16 V V V v V V PROl V 70 DICF<HNCVTKQPQT[T)TMW^ VffliTPÈÈ&ÂVTÀ^^ HBB$HUMA.PRO 52 v v v v v v PROl v 140 AVMGNPKVKAHG3QCVLGAFSDGL^^ ÀVMGNMVT^^ v v v v v HBB$HUMA.PRO 122 v v PROl 210 TPP^QAAYQKWAGVANALAHKYH<ARF^ TPPVQAAYQKWAGVANALAHKYH HBB$HUMA.PRO 146 V V V V ^_„_^ ,„^„^,^,^, KKKKKKKKKKKKK T r rr r V V PROl r v 223 HBB$HUMA.PRO 146 Nombre total d'appariements: Fig. 12.- Alignement de la protéine l'ARNm avec la protéine réelle. 146 résultant de la traduction de tout Il est possible d'arriver aux mêmes conclusions de différentes autres manières. Par exemple, l'élève peut utiliser la fonction du logiciel qui traduit automatiquement un A R N m dans les trois cadres de lecture et affiche simultanément les trois résultats. On peut aisément repérer visuellement celui qui détermine une portion dont la longueur entre un codon initiateur et un codon d'arrêt est identique à celle de la protéine. En amont et en aval de cette portion on peut trouver des codons stop. On constate également que tout l'ARNm n'est sans doute pas traduit (fig. 13). SEQAIDII- Open Reading Frames in HBBARNM.ARN " f o r start, v for terminator, - openframe Reading frame: 1 * v System Time : 17:53:41 * * * * * * ~ v 210 420 630 —~ v v v * * 666 Reading frame : 2 * * * * v --~ * v--~ v v ~ ~ 667 ~ v ~ 211 421 631 v- 212 422 632 w Reading frame : 3 * * * * * v v w v v * v v v v * v v v 668 System Time:17:53:42 Fig. 13.- Traduction de l'ARNm dans les trois cadres de lecture. Le premier fournit le seul segment ayant la longueur de la protéine réelle. Cette même fonction permet d'aller encore plus vite : il est possible de demander si la traduction de l'ARNm dans les différents cadres de lecture donne un segment dont la longueur est égale à celle de la protéine. Le Programme affiche le cadre adéquat et les positions correspondant au début et à la fin de la traduction. 3. Activités autour du gène eucaryote Dans les cellules, le gène est transcrit en ARNm avant d'être traduit. La comparaison du gène entier avec l'ARNm (transformé en ADN pour la nécessité de l'alignement) montre les parties transcrites (exons) et non traduites (introns et promoteur). La notion de gène morcelé est ainsi mise en évidence. De plus, l'élève constate qu'il existe au niveau de l'ARNm des parties absentes dans le gène : les poly A à la fin et la guanine au début (Méthylée et triphosphatée). Ainsi, à travers des exemples différents pris dans la classe, des schémas généraux de structures de l'ARNm et du gène seront réalisés. Pour le détail, il sera possible de constater que : - le nombre d'exons et d'introns peut être variable suivant les gènes considérés (aux limites entre exons et introns on trouve des GT et AG), - vers la fin du gène existe toujours une séquence AATAAA (signal de fin de transcription reconnu par l'ARN polymèrase), - au début du gène existe toujours des séquences CATAAA et TATAAA reconnues par l'ARN polymèrase. La notion de gène peut être abordée selon plusieurs niveaux de complexité : le gène entier en terminale, le gène "ADNc" (correspondant en ADN à l'ARNm sans G devant et sans poly A à la fin) en classe de première scientifique, le gène "x.CODADN" (correspondant à la partie strictement codante) en classe de première littéraire. En utilisant les parties strictement codantes (appelées x.CODADN) les élèves constateront, par alignement avec le gène entier, que le codon de début de traduction est toujours ATG (AUG en ARNm) et qu'un codon STOP fait suite au dernier codon de x.CODADN. 4. Allèles du gène, mutations et conséquences Certains allèles peuvent être responsables de maladies ; aussi la comparaison pour un gène de l'allèle "normal" et d'allèles "mutés" permet de bien situer les différents types de mutations. La traduction des allèles mutés montrera les conséquences de ces mutations au niveau de la protéine synthétisée. a. Les mutations affectent la partie codante du gène L'alignement de la partie codante du gène 8 normal de l'hémoglobine (HBBCOD.ADN) avec la partie codante d'allèles mutés (HBB'X. ADN) montre tous les types de mutations possibles : substitution d'une base par une autre (drépanocytose, hémoglobinose C), insertion d'une base (HBB'THA5. ADN), délétion d'une ou de plusieurs bases (HBBTHA6. ADN et H B B T H A 8 . ADN). Par la traduction des allèles mutés et la comparaison des protéines obtenues avec la protéine normale, les conséquences au niveau du phénotype moléculaire de ces mutations apparaîtront : acide aminé remplacé par un autre (délétion ou addition entraînant un changement de cadre de lecture), acides aminés changés à partir de l'endroit muté (transformation d'un codon en codon STOP), chaîne considérablement raccourcie. b. Les mutations affectent n'importe quelle partie du gène La même démarche que précédemment sera appliquée ici. Avec les séquences BETATHAx.ADN les mutations sont localisées au niveau du promoteur, des introns, des limites introns-exons faisant que l'anomalie est moins grave que lorsqu'il y a changement de la partie codante. La séquence HBBETA'ADN bien que présentant 4 mutations par rapport au gène "normal" ne change rien dans la séquence protéique synthétisée. Tout est donc normal dans l'expression de cet allèle. La notion de mutation neutre et de phénotype moléculaire conservé sont ainsi abordés. Dans l'exemple du gène du récepteur au LDL, certains allèles résultent d'importantes délétions de nucléotides : - l'allèle HYPCINT4.LDL empêchant l'internalisation membranaire et cytoplasmique du récepteur, résulte d'une délétion de 5500 paires de base (de l'intron 15 à l'exon 18), - dans le cas de l'allèle HYPCABS3.LDL il y a suppression des 13ème et 14ème exons, la protéine ne possède plus que 629 acides aminés (un stop apparaissant en 630) ; il y a absence du récepteur, - l'absence des exons 2 et 3 pour l'allèle HYPFIX2.LDL entraîne un déficit dans la liaison du LDL au récepteur. 5. Complexification du génome et familles multigéniques Le génome est constitué d'un certain nombre de molécules d'ADN et chaque molécule peut être "subdivisée" en segments de différents types : - les gènes, unités d'expression conduisant à la fabrication de produits fonctionnels (ARN ou polypeptides) ; certaines régions d'un gène sont codantes pour le produit, d'autres, non codantes, peuvent être soit des régions régulatrices, soit des séquences intercalaires (exemple : les introns), - les pseudogènes, semblables à des gènes fonctionnels déterminés, mais ne conduisant pas à des produits fonctionnels car ils sont le résultat de mutations inactivatrices (présence de codons STOP, par exemple) ; les pseudogènes sont souvent étroitement liés aux gènes fonctionnels correspondants. - les régions non codantes. Le génome des eucaryotes possède de très nombreux segments d'ADN répétés précisément ou avec des variations. Gènes et pseudogènes en sont des exemples et forment une famille de séquences répétées. Certaines de ces familles correspondent à des alignements ininterrompus en tandem, d'autres comportent des "unités" de répétition qui sont séparées par d'autres séquences, et enfin il peut y avoir dispersion des répétitions sur des chromosomes différents. L'augmentation du nombre de copies d'un segment d ' A D N est appelée amplification. Dans l'évolution du génome ce phénomène est primordial. La probabilité pour que deux séquences soient apparues par copie d'un segment d'ADN unique est d'autant plus élevée que leur similitude est grande. Les banques de données permettent de mettre en évidence la notion de création de nouveaux gènes par duplication d'un gène ancestral suivie d'une diversification. Prenons l'exemple de la famille multigénique hormone de croissance, prolactine, hormone lactogène placentaire. Le travail sur ordinateur consiste essentiellement en des comparaisons de ces molécules. a. Comparaison hormone de croissance - prolactine Ces protéines ont une taille semblable, de 190 à 199 acides aminés suivant les espèces ; elles diffèrent de 65 %, mais on retrouve des acides aminés communs aux mêmes positions. La plupart des vertébrés ne possèdent qu'un gène de prolactine et un gène d'hormone de croissance par génome haploïde ; chez l'homme ces gènes sont placés respectivement sur les chromosomes 6 et 17. Les deux gènes possèdent 4 introns situés quasiment aux mêmes sites mais dont la taille est très différente entre les deux gènes. b. Comparaison hormone de croissance - hormone lactogène placentaire Cette dernière hormone n'est présente que chez les Mammifères placentaires. La similitude entre les deux protéines est de 85 %, et pour les séquences codantes des gènes elle est de 95 %. Comparison of HGHSEC.PRO 1 to 191 with HHLPSBC.PRO 1 to 191 Aligned using Ktuple of :2 Alignment Number :1 Alignment score : 141 Gap score :2 StartTime:18:36:32 EndTime:18:36:32 V V V V V V V HGHSEC.PRO 70 HHLPSEC.PRO 70 FPTIPLSRLFDNAMIJ^AHRIJIQIA VQTVTLSRLFDHAML^^ V V V V V V V HGHSEC.PRO 140 HHLPSEC.PRO v HGHSEC.PRO 140 v 191 HHLPSEC.PRO 191 SNnLELIJnSLLLIQSWLEPVQFLRSWANSL^ SNLELIJUSLLLIESWIJEPVI^ v v v v v QTYSKFIJIWSHNDDALU^ QTYSKFDTNSHNHDALLKIW^ Total Number of Matches: 163 Fig. 14.- Alignement des deux protéines humaines sécrétées croissance et hormone lactogène placentaire. : hormone de c Comparaison des exons de l'hormone de croissance Cette hormone possède 5 exons. Le premier et le début du deuxième correspondent à la séquence signal ; la fin du deuxième, le quatrième et le cinquième présentent des similitudes, ce qui suggère une amplification en tandem d'un gène ancestral. L'exon trois qui est différent aurait pour origine un brassage d'exons ou serait le résultat d'une insertion d'un exon copié à partir d'un autre gène : en effet, le peptide codé par cet exon ne stimule pas la croissance mais a une activité anti-insulinique (l'hormone de croissance a les deux activités). En conclusion générale il ressort que : - L'hormone de croissance et le prolactine étant présentes chez tous les vertébrés, on peut supposer qu'un gène ancestral unique a été dupliqué avant que ne divergent les poissons et les amphibiens (il y a plus de 400 millions d'années). Les deux gènes ont évolué indépendamment chez chaque espèce et se sont trouvés dispersés dans le génome. - L'hormone lactogène placentaire est présente uniquement chez les Mammifères placentaires. Le gène qui code pour cette hormone polypeptidique résulte de la duplication du gène de l'hormone de croissance survenue il y a plus de 85 à 100 millions d'années.avant la diversification des Mammifères placentaires. Les deux gènes sont restés liés génétiquement au chromosome 17 et l'on constate que les primates possèdent ces deux gènes en plusieurs exemplaires, traduisant un phénomène d'amplification supplémentaire ayant eu lieu avant le développement des primates (il y a 60 millions d'années). D. Les utilisations en classe L'utilisation expérimentale du logiciel et des données a été réalisée en 19911992 dans une douzaine de classes de terminales D et C et en première A et B. Suivant les lycées, diverses conditions matérielles ont été rencontrées : utilisation par le seul enseignant devant la classe dans les établissements ne disposant que d'un ordinateur, passage des élèves par rotation lorsque 3 ou 4 machines sont disponibles, travail des élèves par binômes dans certains établissements équipés d'un nombre de machines suffisant pour un demi groupe. De même, diverses modalités d'intégration du logiciel ont été adoptées : utilisation hors horaire normal d'enseignement, exploitation comme outil d'évaluation (mise en pratique) d'un enseignement préalable, introduction des nouvelles notions à acquérir à l'aide du logiciel et des données. Les durées et formes d'organisation des séances exploitant l'ordinateur ont été elles aussi diversifiées, allant de la séance unique de 3 heures explorant différents thèmes, jusqu'à un fractionnement de l'utilisation en plusieurs séquences courtes, échelonnées en fonction de la progression. En général, les comptes-rendus de ces séances soulignent les apports du logiciel tout en marquant quelques insuffisances. - intérêt du logiciel : - accès à des informations qui permettent de répondre à des problèmes biologiques en émettant des hypothèses, en les testant et en construisant des modèles (voir référentiels de seconde et de première), - démarche inductive dans la mesure où, à partir d'informations diverses (gènes, allèles, protéines, etc.) on élabore des représentations à caractère général, - caractère plus tangible des notions qui passent par des séquences qui peuvent être comparées, traduites, converties, etc. - limites du logiciel : - impossibilité de saisir des séquences d'ARN au clavier et de reproduire le mécanisme de la transcription, - nécessité de fournir aux élèves un guide pratique pour l'utilisation du logiciel, - dans certains cas, difficulté de manipulation de la version anglaise par les enseignants et les élèves. 1. Exemple d'utilisation en classe de première A Cette démarche a été réalisée en 1991-1992 au Lycée Parc des loges à Evry. L'objectif du travail est d'étudier comment l'information génétique s'exprime à travers la synthèse des protéines, ce qui revient à poser les problèmes suivants : caractéristiques du code génétique, caractère polarisé ou non du message lu, nature des divers types de mutations et conséquences de celles-ci. A ce stade du cours, les élèves connaissent les protéines et l ' A D N , information génétique localisée dans les chromosomes. Le travail se fait sur le gène bêta de l'hémoglobine et ses différents allèles (thalassémies, drépanocytose, hémoglobinose C). Les séquences nucléotidiques données correspondent à la partie strictement codante du brin d ' A D N non transcrit ; cela représente le gène pour l'élève. La démarche consiste à charger en mémoire deux séquences du gène (l'allèle normal et un allèle muté) et les protéines correspondantes (résultant de la traduction préalable de ces allèles). La fonction d'alignement permet aux élèves de comparer les deux allèles, d'une part, et les deux protéines, d'autre part. Les différences constatées sont notées précisément (position et nature du changement) dans un tableau des résultats pour toute la classe (fig. 15). ADN PROTÉINE position (P) changement position (A) changement DREP 200 A—>T 7e E->V HEMC 19e G—>A 7e E—>K THA1 52B A—>T 18e THA2 118e C->T 40e THA3 47e G—>A 16e THA4 20B manque A 7e THA5 217e T en plus 73e THA6 51e manque C 18e THA7 289 N ? en plus 10e THA8 124e— > 127e manque TTCT 42e chaîne de 17 AA (normaux) chaîne de 39 AA (normaux) chaîne de 15 AA (normaux) chaîne de 18 AA (* à partir du 7e) chaîne de 72 AA (normaux) chaîne de 18 AA (dernier différent) chaîne de 22 AA (* à partir du 10e) chaîne de 59 AA * à partir du 42 e Fig. 15.- Tableau synthétique indiquant les différences entre le gène bêta normal et plusieurs de ses allèles, ainsi que les différences entre les protéines. DREP : Drépanocytose ; HEMC : Hémoglobine C; THA : Thalassémie ; N : Base indéterminée. L'exploitation de ces comparaisons sur la position des changements permet de poser le problème de la représentation des résultats. La figure 16, par exemple, montre bien la correspondance ordonnée de la position (A) des changements constatés au niveau de l'ADN,, avec la position (P) des changements constatés au niveau de la protéine. Elle montre aussi que les protéines plus courtes commencent toujours par la même extrémité (c'est toujours la fin de la chaîne qui change ou qui manque. Cela montre bien que le message génétique est lu dans un seul sens. ADN i as 49 10 6 ? 94 SX US 41*1 PRO « 45 —. TH A 5 47 7 / / A 4 , 4 1 -? ^ 1£ TAVA <r , II THA 1 6 2 2 T/VA 7 . 3 9 Ttf* 2 , 5 9 — THflS —22 . 72. TW/15 Fig. 16.- En haut de la figure, représentation en parallèle de l'ADN et de la protéine indiquant les sites de mutation. En bas, les protéines mutantes par tlongueur croissante. La figure 17 représentant P=f(A) montre la relation de proportionnalité entre A et P. Le rapport A/P étant proche de 3 suggère que 3 bases azotées codent pour un acide aminé, ce qui est d'ailleurs démontré en localisant la position du groupe de 3 bases : elle correspond à P dans tous les cas étudiés. Position acide aminé. (P) Position nucléoticlt (H) Fig. 17.- Représentation graphique des positions de changement dans l'ADN et la protéine correspondante. L'exploitation de ces comparaisons sur la nature des changements permet de mettre en évidence tous les types de mutation (substitution.insertion, délétion) et leurs conséquences, l'importance du cadre de lecture sur la protéine fabriquée, les triplets particuliers (début de séquence ATG, fin de séquence TAG, T A A O U T G A ) . Le caractère redondant du code génétique et la nature des codons seront montrés en recherchant les codons possibles pour plusieurs acides aminés présents dans les séquences protéiques (possibilité de superposer gène et protéine synthétisée ou utilisation de l'option "traduction reverse" ce qui indique tous les codons possibles pour chaque acide aminé. 2. Quelques utilisations avec les classes de terminale C et D. Nous proposons ici un schéma expérimenté en 1991-1992 au lycée P.L. Courier de Tours.. a. L'expression de l'information génétique Le recours au logiciel a lieu à trois reprises au cours de ce chapitre sous deux formes : exploitation par les élèves de documents élaborés à partir de la banque de données, et courte séance d'utilisation du logiciel en petits groupes se relayant devant la machine disposée dans la salle de TP. Prérequis : ce chapitre suit celui sur la reproduction conforme. Les notions nécessaires suivantes sont acquises : ADN (nature, structure, localisation), l'ADN support d'une information génétique, réplication de l'ADN. Découpage horaire : en cours, 20 minutes sur documents issus du logiciel ; en TP, 10 minutes sur machine et une heure sur documents issus de SEQAIDII. Question : Y-a-t-il un rapport entre existence d'une information génétique et production d'une protéine ? Si oui lequel ? - Rapport entre information génétique et protéine - Un exemple de manipulation génétique ou comment faire fabriquer de l'insuline de Souris à une Bactérie. Bilan : L'information génétique d'une fraction d'ADN permet la synthèse d'un polypeptide spécifique. - Forme de l'information génétique au niveau de l'ADN Symptômes de la drépanocytose ou anémie falciforme : hématies anormales, hémoglobine anormale (anomalie repérée au niveau des chaînes bêta). On connaît le fragment d'ADN permettant la synthèse de cette chaîne. . Méthode : alignement du gène normal chez un individu normal et drépanocy taire. La recherche s'organise autour de trois pistes : comparer les protéines et identifier les différences (acide aminé numéro 6 ; on numérote à partir de 0 = méthionine) ; comparer les gènes et identifier les différences (base numéro 20) ; poser une ou des hypothèses concernant le principe d'une correspondance. Bilan - Existence d'une correspondance entre séquence des nucléotides sur l'ADN et séquence des acides aminés de la protéine. Les acides aminés sont désignés au niveau de l'information génétique de manière codée (3 bases pour 1 acide aminé). Il semble qu'un même acide aminé puisse être désigné de plusieurs façons. - L'information génétique (gène) gouvernant la synthèse d'une protéine peut exister sous plusieurs versions (première approche de la notion d'allèles). b. Passage de l'information génétique du gène à la protéine Question : l'information génétique est-elle exploitée in situ ? - L'exploitation de l'information génétique Autoradiographies montrant que chez les eucaryotes, la synthèse de la protéine n'est pas réalisée dans le noyau mais dans le cytoplasme, et qu'une substance, l'ARNm, quitte le noyau pour le cytoplasme. Question : l'ARNm est-il porteur de l'information génétique nécessaire à la synthèse de la protéine ? On cherche à préciser la structure de l'ARNm et la forme de l'information génétique qu'elle porte. Les expériences de Nierenberg et Ochoa (fabrication d'ARNm de synthèse poly U, poly C, etc.) sont relatées pour mettre en évidence l'existence d'une relation directe entre l'ARNm (le logiciel ne permet pas l'introduction de séquences dARN au clavier). Les élèves disposent ensuite d'un document présentant l'alignement d'une portion d'ARNm gouvernant la synthèse d'une chaîne de l'hémoglobine (obtenue par conversion d'une séquence HBCODADN de la banque de données) avec la protéine produite (par souci de clarté, nous avons décidé de ne travailler que sur la codification 3 lettres). Les documents correspondant aux différentes chaînes de l'hémoglobine disponibles (alpha, bêta, gamma, delta) sont réparties entre les élèves. Question : qu'apprend-on à travers ce document sur la forme de l'information génétique au niveau de l'ARNm ? Comment les acides aminés sont-ils codés ? Etablir une table de transcodage. Durée du travail : 20 minutes. Bilan : notion de codon, tableau du code génétique (hormis les codons STOP que l'on découvrira sur un document de référence), caractéristiques du code génétique, nécessité d'une transcription en amont et d'une traduction en aval. La multiplicité des documents accrédite la généralité du codage des acides aminés et permet de réunir des informations très complètes. - La transcription de l'information génétique Description du mécanisme. - La structure de la molécule d'ARNm en rapport avec sa traduction Question : Dans l'étude précédente, on a considéré une portion de la molécule d'ARNm. Qu'en est-il si on considère toute la molécule d'ARNm transcrite ? Quelle est sa structure ? Chaque élève dispose de la séquence complète d'ARNm gouvernant la synthèse d'une chaîne de l'hémoglobine. Chacun fait traduire par le logiciel la séquence étudiée. Il note les arrêts et le nombre d'acides aminés traduits à chaque fois. Il remarque que cette traduction fictive est souvent interrompue et qu'elle aboutit à un nombre d'acides aminés supérieur à celui de la protéine réelle, d'où l'idée que tout l'ARNm n'est pas traduite en protéine. Le travail se poursuit sur papier par l'exploitation convergente des informations notées los de la traduction fictive : il s'agit de repérer sur l'ARNm complet la zone réellement traduite en protéine, d'en déterminer les caractéristiques (début, fin), de confronter les résultats obtenus par les différents groupes pour en tirer une idée générale, de schématiser la structure de l'ARNm. Question : Les zones non traduites ont-elles une fonction ? La réponse passe par l'analyse des mécanismes de la traduction. Cette partie est réalisée de manière traditionnelle. b. Gènes et génie génétique Ce chapitre suit ceux qui traitent de la reproduction sexuée et le brassage de l'information génétique et qui ont débouché sur l'hérédité humaine : des cas d'affections d'origine génétique (myopathie, drépanocytose, thalassémies, etc.) ont été envisagés dans leurs aspects symptomatiques et leur mode de transmission. Dans ce chapitre, nous avons pu utiliser le logiciel comme un outil de découverte du gène et de ses caractéristiques. Nous disposions de quatre machines en salle de TP, dont une munie d'un grand écran de visualisation. Le thème vise à traiter les questions suivantes : - Qu'est-ce qu'un gène ? A-t-il une structure particulière ? - Qu'est-ce que le génome ? A-t-il une structure particulière ? - Comment le gène fonctionne-t-il ? Peut-on le faire exprimer en dehors de la cellule d'origine ? Le logiciel permet de traiter le premier thème : le travail est organisé sous forme de séquences courtes (15 à 20 minutes) Chaque groupe d'élèves cherche les réponses concernant une molécule différente. Chaque séquence débouche sur une mise en commun des informations et sur leur exploitation collective, une synthèse amenant aux notions essentielles et une concrétisation sur des documents issus du logiciel et préparés à l'avance pour que chacun garde une trace documentaire. En effet, pour gagner du temps et tenant compte du manque d'imprimantes en nombre suffisant, tout le travail est effectué sur écran. - Les caractéristiques du gène chez les eucaryotes Question : l'information génétique pour une protéine est-elle la même chez tous les individus ? - Une diversité pour un même gène : notion d'allèles Le travail s'effectue sur le gène codant pour la chaîne bêta. Alignement pour trouver les différences entre une séquence de référence ( H B B C O D , la plus répandue = normale) et différentes autres séquences ( H B B T H A l à H B B T H A 8 extraites de la banque de données). Noter précisément la nature des différences et leur position. Bilan : il existe plusieurs versions d'un gène, ou allèles. Par rapport au gène normal, les différences résultent de délétions, substitutions, insertions (mutations). Dans ce cas, celles-ci aboutissent à des anomalies de l'hémoglobine, affections héréditaires appelées thalassémies. On effectue une synthèse sur des documents. Question : Quelles sont les conséquences de telles mutations ? Pour des raisons de temps, la recherche se fait sur des documents qui mettent en parallèle les séquences précédemment étudiées sous forme d'ARNm et les protéines correspondantes. On émet ainsi des hypothèses concernant les effets des mutations : protéines non conformes (remplacement d'un acide aminé par un autre) ou écourtées (codons S T O P ) . - La structure du gène • Le repérage d'un gène sur l'ADN des eucaryotes : après présentation de la technique d'hibridation moléculaire (ADN-ARNm), l'exploitation d'un document permet d'émettre l'hypothèse suivante : tout le contenu de l'ADN ne se retrouve pas dans l'ARNm. L'utilisation du logiciel va permettre de tester cette hypothèse. • Comparaison ADN-ARNm : après avoir montré qu'on peut créer un ADNc qui est l'image de l'ARNm, le travail suivant est proposé : utilisation du logiciel (15 minutes) pour l'alignement du gène et de l'ADNc. Travail à réaliser : comparer la longueur de l'ADNc et du gène,; faire un relevé sous orme schématique des zones communes, des zones propres à l'ADNc et de leurs positions, ceci pour le gène HLA3, les gènes alpha, bêta, gamma et delta de l'hémoglobine, et les ADNc correspondants. Le travail se fait sur écran ; chaque groupe travaillant sur une molécule différente établit un schéma de l'alignement, puis le reporte sur le tableau. On peut ainsi facilement généraliser la structure d'un gène d'eucaryote. . Bilan : Toutes les bases de l'ADN ne se retrouvent pas dans l'ARNm. On constate des zones non transcrites (une partie initiale ou zone promotrice -promoteur- et des zones à l'intérieur du gène -introns-), et des zones transcrites (exons). On fonde ainsi la notion de gène morcelé. • On expose le mécanisme de la transcription du gène morcelé en ARNm : rôle du site promoteur, l'ARN pré-messager, l'adjonction de la coiffe et de la queue, l'épissage. Toutes les mutations ont-elles les mêmes conséquences ? On connaît différentes thalassémies dont certaines ne sont pas sévères. Pourquoi ? Méthode d'exploration : comparer le gène muté et le gène normal, rechercher la mutation et, en utilisant ce qui a été acquis sur la structure du gène codant pour la chaîne bêta de l'hémoglobine,, proposer des hypothèses explicatives de la faible sévérité de certaines thalassémies. On peut ainsi comprendre que les mutations localisées soit dans le promoteur, soit à la limite intron-exon n'affectent pas l'information génétique transcrite IV. E T U D I E R L ' E V O L U T I O N A P A R T I R D E D O N N E E S M O L E C U L A I R E S L'aspect moléculaire de l'évolution a été le deuxième choix fait dans cette recherche en biologie moléculaire. L'idée d'évolution des espèces ne peut aller sans faire une classification du monde vivant au préalable ; or ce classement (systématique) nécessite des critères parmi lesquels on peut citer : la morphologie, l'anatomie, l'éthologie, la physiologie et la biochimie. En 1966 Hennig établit une classification compatible avec l'évolution : c'est la systématique phylogénétique ou cladistique réunissant tous les êtres vivants. Si deux espèces A et B ont plus de caractères en commun entre elles qu'avec une 3ème espèce C, l'ancêtre commun (fossile) à A et B est moins ancien que l'ancêtre commun (fossile) aux trois espèces. Les arbres généalogiques ci-dessous illustrent cette systématique cladistique obtenue à partir de caractères morphologiques et anatomiques. ( 8/ 46) Fig. 18.- Arbre phylogénétique des différents ordres de ( ( ( ( ( 8/ 8/ 3) 3) 8 8 8/ 4) 8 8 8/ 1) 8 8/ 12) CD — Monotrènes — Marsupiaux — Edentés —Pholidotes — Carnivores — Tubulidentés — Insectivores — Chiroptères — Dernoptères —Priaates — Scandentia —Hacroscélides — Lagomorphes — Rongeurs — Artiodactyles — Cétacés —Périssodactyles —Hyracoïdes — Théthythériens ( 8/ 8/ 8/ ( 8/ ( 8/ ( ( B 3) 5) co Mannifères B 4) 8 3) Mammifères. Pourquoi utiliser des caractères biochimiques pour établir une phylogénie ? Certaines molécules de la vie sont porteuses d'information : les protéines (dont la structure primaire est établie à partir de 20 caractères différents : les acides aminés) et les acides nucléique (séquences réalisées à partir de 5 caractères : les bases azotées A,G,C,T,U). Le caractère a ici un aspect irréductible par sa nature et sa place dans la séquence ; si un acide aminé est à un endroit précis dans une protéine, la probabilité pour que ce soit du au hasard est de 1/20 = 5% et si quatre acides aminés déterminés se suivent la probabilité d'une occurrence de cette suite au hasard sera alors de 1/20 x 1/20 x 1/20 x 1/20, donc beaucoup plus faible. En ce qui concerne un acide nucléique, pour qu'un nucléotide soit à un site la probabilité est de 1/4 = 25%. On retrouve des molécules jouant des rôles comparables chez de nombreuses espèces animales et végétales exemple : le cytochrome C de la chaîne respiratoire, les histones associées à l'ADN, les facteurs d'élongation, l'ARN 28 S, des ribosomes, les globines chez les vertébrés, etc. Ces molécules observées actuellement sont l'aboutissement d'une longue histoire durant laquelle elles ont été modifiées. En comparant deux molécules il est possible de déterminer leur degré de similitude, et donc de détecter si le pourcentage de ressemblance est supérieur à 5 % pour une protéine et supérieure à 2 5 % pour un acide nucléique. Les problématiques abordées avec les molécules seront : - notion d'homologie : gènes homologues, gène ancestral, duplication du gène, - mise en évidence des divers types de mutations (substitutions, insertions, délétions), mutations silencieuses, - notions d'horloge moléculaire, vitesse différente d'évolution suivant les molécules considérées, - mise en évidence de régions stables et de régions instables (variables) dans les molécules étudiées, - Comment construire des arbres phylogénétiques et discussion de la validité des résultats obtenus. A. Fonctionnalités du logiciel EVOLUTION MOLECULAIRE Le menu principal du logiciel donne accès à six modules. Le premier est à finalité purement didactique, alors que les cinq autres décomposent de manière transparente les étapes allant de la sélection d'une molécule et de la constitution d'une liste d'espèces jusqu'à la construction d'un arbre phylogénétique. MENU GENERAL Alignement de séquences E x t r a c t i o n de séquences a l i g n é e s V i s u a l i s a t i o n de séquences e t de m a t r i c e s Calcul d'un a r b r e J V i s u a l i s a t i o n d un a r b r e Comparaison de matrices Retour à MS-DOS Fig. 19.- Menu général du logiciel EVOLUTION MOLECULAIRE. Pour toute étude phylogénétique complète, le point de départ est toujours la banque de données disponibles (l'utilisateur ne peut pas introduire ses propres séquences). Actuellement, cette banque comporte deux types de données : - des séquences non alignées qui sont utilisées par le premier module seulement (énumérer les molécules présentes). - des séquences préalignées qui seront le support des études phylogénétiques. Ces dernières relèvent de molécules ayant des vitesses d'évolution différentes permettant des recherches de phylogénies à l'échelle des vertébrés (famille des globines alpha, bêta, myoglobine) et à l'échelle du monde vivant (cytochrome C, facteur d'élongation EF1 alpha). La séquence de chaque molécule est donnée pour des espèces nombreuses appartenant aux principaux groupes taxonomiques (exemple : une portion du gène alpha de l'hémoglobine est donnée pour 24 espèces de vertébrés). Une information est associée à chaque molécule. L'utilisateur doit choisir de travailler sur l'un ou l'autre type de séquences et sélectionner une des molécules mises à sa disposition. Ce choix lui donne accès à un arbre phylogénétique initial, construit indépendamment du logiciel sur des bases à la fois morphologiques et anatomiques. Cet arbre représente, en quelque sorte le consensus actuel sur la classification des groupes et des espèces concernées. Vivant ( 8/ 37) -Eubactéries - Archébactéries -Diplowonadines -Hicrosporidies -Euglenozoa - Trichononadines - Myxomycètes - Acrasiowycètes -Sporozoaires -Ciliés -Dinoflagellés -Champignons - Chromophytes -Cryptomonadines - Rhodophytes -Chlorophytes—• Amibes Actinopodes Métazoaires—• ( ( ( 0/ 16) 8/ 4) 8 0 8/ 1) e ( ( ( 8 8 B 0 0 0/ 4) 0 0 0 0/ 2) 0 0 0/ 10) Fig. 20.- Arbre du vivant proposé par le logiciel pour le choix des groupes avec la molécule EF1 alpha.. 1. Choix des espèces Pour chaque molécule, et pour chaque groupe, une indication précise est fournie sur le nombre d'espèces (donc de séquences) présentes dans la banque. L'utilisateur peut accéder à des informations détaillées sur les groupes et les espèces. En ce qui concerne ces dernières, par exemple, les informations comportent : une description anatomique succincte, le rappel de quelques représentants de l'espèce connus des élèves, les caractères spécifiques, une estimation du nombre d'espèces actuelles et de leurs répartition géographique, des éléments d'éthologie, les dates d'apparition des premiers fossiles connus, etc. Ces informations guident en partie le choix des espèces à étudier. L'utilisateur accède à la liste des espèces désignées par le nom familier en français. Il peut en sélectionner quelques unes ou retenir globalement tout le groupe. Les séquences sont ensuite visualisées. Le logiciel donne la possibilité de parcourir les séquences avec repérage des positions des résidus, de changer l'ordre des espèces, de présenter les séquences nucléiques et les séquences protéique en parallèle, etc.). Pour la molécule et les espèces choisies, un fichier est ensuite créé (on peut ainsi sélectionner d'autres molécules et d'autres espèces qui seront rangées dans d'autres fichiers). 2. Travail sur des séquences non alignées Ce module permet d'introduire le concept d'homologie moléculaire par la recherche de la meilleure similitude. L'élève choisit une molécule et ensuite les espèces pour lesquelles il veut comparer la composition chimique de cette molécule. Le logiciel affiche les différentes séquences non alignées. En plaçant à certains endroits des astérisques, on peut mettre progressivement en évidence les ressemblances et différences entre les séquences. Pour obtenir la ressemblance maximale, il faut un minimum d'astérisques pour un maximum de similitude des séquences (principe d'économie d'hypothèses). Dans la recherche de phylogénies, l'alignement des séquences détermine toutes les analyses et tous les traitements ultérieurs. Seul un chercheur expérimenté (ou un logiciel performant) peut réaliser correctement cet alignement qui ne peut donc être laissé à la charge des élèves. C'est pourquoi les autres fonctionnalités du logiciel utilisent exclusivement des séquences préalignées. 3. Travail sur des séquences alignées Ce travail peut se dérouler en quatre étapes : sélection d'une molécule et d'espèces comme déjà indiqué et visualisation des séquences, calcul et visualisation de la matrice des distances, calcul et visualisation d'un arbre phylogénétique, et enfin comparaison des données issues de deux matrices des distances obtenues pour les mêmes espèces avec deux molécules différentes ESPECES Requin de port Carpe cormune Echidné Home Chimpanzé Coq domestique Alligator amer Opossun de IPir Chien Séquences alignées STSTSTSDYS AADRAELAAL SKULAQNAEA FGAEALARMF *******SL- DK-K-AUKIA UAKISPK-DD I G—L ******HfcT D-EKK-OTS- WGXASGH—E YE-LI H H H H H H . U L - P-KTT1UK-A UGKUGAH-GE Y — — E — « * • * « « « , - P-KTT1VK-A UGXUGAH-GE YE— »******UL KNMUKGI FTKI-GH—E Y—T-E *-******UL- ME-KSNUK-I WGKASGHL-E YE— « H H H H « U L - -M-KTMUKGA USKUGG-SG- YrtG—Y-T**«****UL- P—KTNIKST UDKIGGH-GD Y-G—D-T- Fig. 21.- Exemple de séquences de globines alignées. TWAATKSYF —PQ--T— LSFPT--T-LSFPT—T— LSFPT--T-T-PP--T-CA-PQ—I— LSFPT—T— QSFPT-T— * KDYKDFTAAA AHUA-LSPGS SHM-LSKGS PHF*-LSHGS PHF-LSHGS PHF*-LSHGS PHF*-MSHNS PN-*--S-GS PHF*-LSPGS a. Calcul et affichage d'une matrice des distances La sélection d'un fichier de séquences donne lieu ensuite au calcul de la matrice des distances qui sera ensuite visualisée. Cette matrice montre les différences entre les séquences comparées deux à deux. Les valeurs peuvent être exprimées en fréquence ou en nombre réel de différences. La matrice est automatiquement sauvegardée dans un fichier qui sera utilisé par les modules suivants. Requi Carpe Echid Homme Chimp Coq d Allig Oposs Chien Requin de p o r t - j a c Carpe commune Echidné Home Chimpanzé Coq domestique Alligator américai Opossum de Uirgini Chien 9 289 279 272 272 268 276 274 279 9 242 229 229 221 258 241 236 9 93 94 139 184 129 199 9 1 124 176 97 61 9 124 176 98 62 9 141 144 124 9 175 177 9 119 9 Fig. 22.- Matrice donnant le nombre de différences entre les globines les 9 espèces. pour b. Calcul et affichage d'un arbre phylogénétique En sélectionnant un fichier de matrice cette fonction permet de calculer l'arbre phylogénétique selon la méthode du Neighbor Joining et ensuite de le visualiser à l'écran L'arbre visualisé est enraciné automatiquement par le logiciel entre le premier groupe identifié et tous les autres. De ce fait, cet enracinement est le plus souvent inadéquat. L'utilisateur peut le modifier en utilisant ses connaissances sur les espèces (sachant par exemple qu'une espèce est manifestement très différente des autres) et raciner l'arbre à un autre noeud (point de départ de deux branches de l'arbre). Il peut également modifier l'aspect de l'arbre en faisant pivoter les branches autour des noeuds. ' Requin de port-jackson I i ["•I | Carpe comnune Alligator anéri Coq domestique Ch ien C Chinpanzé - Echidné Opossun de Uirginie Fig. 23.- Arbre phylogénétique des 9 espèces. Il faut noter que les longueurs des branches reflètent les valeurs calculées dans la matrice des distances. Ceci n'est pas vrai pour les deux premières branches de l'arbre tel qu'il est automatiquement enraciné par le programme. Il est cependant possible de modifier la longueur de ces branches en se référant à la matrice des distances. Les arbres ainsi obtenus sont sauvegardés automatiquement. L'arbre "calculé" tracé sur imprimante peut être comparé à l'arbre cladistique présenté lors du choix des espèces, cela peut permettre d'apprécier la fiabilité et la cohérence des résultats entre deux molécules différentes pour les mêmes espèces. c. Comparaison de deux matrices Une autre façon de tester la cohérence entre les informations fournies par deux molécules différentes pour une même liste d'espèces consiste à utiliser le module "comparaison de matrices". Après avoir sélectionné les deux matrices correspondant aux deux molécules, le logiciel visualise dans un repère orthogonal les "distances" calculées dans les deux matrices. Chaque point représente un couple d'espèces A et B. Il a pour abscisse la distance calculée entre ces deux espèces pour l'une des molécules et pour ordonnée la distance calculée pour l'autre molécule. A partir du nuage de points obtenu le logiciel trace la droite de régression et calcule le coefficient de corrélation entre les deux matrices. Il est possible de visualiser les couples d'espèces (localisation de chaque point) et de connaître l'éloignement des points par rapport à la droite de régression. Il est également possible d'identifier par un code couleur les espèces appartenant à deux groupes pour examiner leur disposition sur la droite de régression. B. Utilisations pédagogiques L'utilisation expérimentale du logiciel s'est déroulée au cours des années 1991 et 1992 dans six lycées. Cette mise en oeuvre dans les classes a accompagné l'adaptation du logiciel pour passer de l'instrument de recherche initial à un produit utilisable dans l'enseignement. Les transformations du logiciel ont concerné principalement : - l'interface d'échange avec l'utilisateur : création des menus d'appel transparents des fonctions, - la réalisation de visualisations spécifiques pour l'enseignement : travail sur des séquences non alignées, affichage en parallèle de deux séquences nucléique et protéique, visualisation à l'écran, en valeurs absolues et en effectifs, de la matrice des différences, - l'adoption d'une nomenclature en français courant des noms des espèces et des groupes (dénominations savantes initialement), - la conception d'une base d'informations associée à tous les groupes et à toutes les espèces, - l'introduction d'une aide systématique dans tous les modules, - le tri croisé afin de sélectionner les espèces pour lesquelles on possède des séquences dans différentes molécules. Quatre des lycées associés à l'expérimentation des versions successives du logiciel disposaient d'un nombre suffisant d'ordinateurs pour faire travailler les élèves en groupes de deux ou trois, ce qui permet de leur laisser une relative autonomie. Trois ordinateurs seulement étaient disponible dans l'un des établissements (les groupes d'élèves sont donc plus nombreux). L'utilisation collective du logiciel avec une tablette de rétroprojection a également été pratiquée avec un groupe de TP de 15 élèves. Suivant les cas, la longueur des séquences d'utilisation varie de 15 minutes (petites séquences répétées, dans un établissement disposant d'ordinateurs installés à demeure dans la salle de TP) jusqu'à 2 heures. De ces utilisations on peut dégager un certain nombre de thèmes répondant aux diverses problématiques et intégrés dans l'enseignement en terminale D. Le logiciel parait potentiellement très riche et l'exploitation qui peut en être faite déborde le contenu du programme actuel. De cette expérimentation il ressort que le logiciel EVOLUTION MOLECULAIRE apporte une aide importante aux élèves pour faciliter la compréhension de cette partie du programme souvent traitée de façon abstraite et peu attractive. La prise en main du logiciel est aisée et au fur et à mesure de la progression les élèves peuvent prendre de plus en plus d'autonomie dans leur travail. Les grandes problématiques sont abordées au cours des thèmes décrits ici et des réflexions critiques apparaissent au cours de l'utilisation de ce logiciel montrant à nos élèves combien de précautions il faut prendre avant d'affirmer un résultat. Ce logiciel est un instrument indispensable pour traiter des données nombreuses et importantes (longues séquences d'acides aminés et nucléotidiques) il aide à la réflexion sur l'aspect moléculaire de l'évolution mais on ne doit pas conclure trop rapidement sur l'exactitude de la phylogénie trouvée à notre niveau de Terminale. 1. Familiarisation avec la classification phylogénétique des vertébrés Classification et évolution sont "liés", la systématique cladistique en est la démonstration. Toute classification est basée sur des caractères que certaines espèces ont en commun et permettent de les regrouper. Il est possible en utilisant les informations données dans le logiciel de relever les principaux caractères anatomiques de chaque groupe de vertébrés et d'indiquer la date (l'âge) des plus anciens fossiles connus. Une étude de ce type peut être menée à propos de "la sortie des eaux des vertébrés" : origine des Tétrapodes, recherche de lien de parenté entre Poissons et ICTHYOSTEGA). L'élève recherchera les caractères existant chez les Tétrapodes et partagés avec un groupe de Poissons, ce qui fournit des arguments pour avancer que ces groupes ont un ancêtre commun. Un arbre de parenté probable (cladogramme) sera construit manuellement par les élèves et comparé à celui tracé par le logiciel (quand on choisit les espèces). Ce premier thème familiarise de manière simple avec les groupes taxonomiques et avec les espèces que les élèves connaissent peu. Il permet de mettre en place les principes de construction d'arbres phylogénétiques qui seront rencontrés ultérieurement. 2. Notions d'homologie, de mutation et de contrainte fonctionnelle a. Au niveau d'une protéine Les parentés biochimiques entre plusieurs molécules (les myoglobines par exemple) d'espèces différentes sont analysées grâce au module "alignement de séquences". La visualisation de ces molécules superposées montre : - qu'elles se ressemblent d'autant plus que les groupes sont plus proches phylogénétiquement, - qu'il est possible d'obtenir un alignement pour lequel le nombre de différences entre les molécules est le plus faible en introduisant des astérisques dans les séquences ; l'astérisque pouvant correspondre soit à une insertion d'acide aminée ou à une délétion. Quand un acide aminé est remplacé par un autre on aura substitution (cela ne nous renseigne pas précisément sur la nature des mutations au niveau de l'ADN). - Certaines parties de la molécule sont conservées alors que d'autres sont très variables d'un groupe à l'autre. Les parties conservées sont elles en rapport avec la fonction de la protéine ? b. Au niveau de l'ADN Le travail sur des séquences préalignés (exemple: portion du gène codant pour une chaîne de l'hémoglobine chez les Mammifères) permet de mettre en évidence les différents types de mutations (insertion, délétion, substitution) ainsi que leur localisation (dispersée ou groupée). Par l'alignement simultané ADN-Protéine les élèves se rendent compte que certaines mutations n'ont aucune conséquence au niveau de la protéine (mutation silencieuse ou neutre ne changeant pas le phénotype et ne pouvant donner prise à la sélection naturelle). Les élèves ont ainsi une approche du code génétique et de son caractère dégénéré. Au niveau de l'ADN les mutations apparaissent n'importe où alors que pour la protéine il existe des zones constantes et des zones variables. Cela pose le problème de la contrainte fonctionnelle : lorsqu'une mutation a pour conséquence un mauvais fonctionnement de la protéine, les organismes porteurs de cette mutation seront éliminés : les zones constantes de la protéine sont donc probablement en rapport avec sa fonction. 3. Réponses à un problème de parenté entre groupes Exemple de la détermination de la classification phylogénétique : Mammifères, oiseaux, crocodiliens. Les oiseaux présentant des caractères communs avec les Mammifères d'une part et avec les crocodiles d'autre par, sont-ils plus proches des Mammifères ou des crocodiles ? Cette étude permet de poser les principes du traitement des données qui aboutissent à la construction d'un arbre phylogénétique et de discuter de la fiabilité du résultat obtenu avec une molécule si on utilise d'autres molécules pour construire l'arbre. Ainsi, en travaillant sur les globines alignées (les alphaglobines par exemple), l'élève choisit une espèce dans dans les trois groupes et une espèce dite "extérieure" dont l'ancêtre est commun aux 3 espèces précédemment choisies (ici un poisson par exemple). Le nombre de différences entre deux alphaglobines sera calculé sur les quatre espèces choisies (prises 2 à 2) et un tableau est dressé (matrice des distances). L'exploitation de la matrice est faite par les élèves en utilisant la méthode dite "UPGMA" (on rassemble les espèces proches en moyennant leur distance par rapport à une 3ème ayant plus de différences). Cette méthode suppose que les molécules évoluent à vitesse constante chez toutes les espèces (ce qui n'est pas toujours vrai). Cette méthode permet un travail autonome des élèves mais construit une phylogénie imprécise si le principe de l'horloge moléculaire n'est pas vérifié pour toutes les espèces. Parallèlement à ce travail "manuel" l'élève utilisera le logiciel pour calculer l'arbre à partir des résultats de la matrice des distances. Ce calcul d'arbre repose sur un traitement statistique dont le principe est de choisir "l'arbre" le plus proche des résultats de la matrice des distances (c'està-dire en faisant en sorte que la différence soit la plus petite entre les distances indiquées dans la matrice et les distances calculées dans l'arbre). L'élève choisira la "racine" en désignant un groupe "extérieur" en fonction des informations qui lui seront données (ici un poisson). La signification des longueurs différentes des branches pourra être abordée : sachant que la longueur des branches qui relient deux espèces est proportionnelle au nombre de différences entre les deux séquences concernées, si une branche terminale est plus longue que les autres cela signifiera que la molécule correspondant à cette espèce a beaucoup changé au cours du temps, donc a subi plus de mutations et a une vitesse d'évolution plus grande. Par une démarche semblable, l'élève travaillera sur les autres globines avec les mêmes espèces et pourra constater que les arbres obtenus ne sont pas tous identiques au premier : ainsi se trouve posé le problème de l'échantillonnage, une protéine (expression d'un gène) n'est pas suffisante pour être représentative du génome ; aussi, le travail réalisé avec les 3 protéines alpha, bêta et myoglobine mises bout à bout donnera un arbre plus fiable. 4. Rythme d'évolution des molécules chez les vertébrés En choisissant des molécules différentes (histones, cytochrome C, alphaglobine, bétaglobine, myoglobine) chez les mêmes espèces et après avoir calculé les matrices des distances pour chaque molécule, il est possible de noter les différences entre les espèces considérées et l'Homme pour chaque molécule. A l'aide d'un document datant la séparation des différentes lignées de vertébrés, l'élève pourra représenter graphiquement les différences (par rapport à l'Homme) en fonction du temps écoulé depuis la séparation des lignées. Les courbes montrent que chaque molécule a sa propre vitesse d'évolution des histones très stables aux globines beaucoup plus changeantes. L'horloge moléculaire fonctionne différemment selon les types de molécules considérés. L'étude serait plus fiable si l'échantillonnage en espèces était beaucoup plus important pour pouvoir tester l'hypothèse de l'horloge moléculaire au niveau d'un type de molécule. Oiffirmmcm. Requin Carpe Tmon Pouiet ini gourou Chien Homme Fig. 24.- En a : période estimée de séparation des lignées chez les Vertébrés. En b : représentation graphique des différences par rapport à l'Homme en fonction du temps écoulé depuis la séparation des lignées. 5. Réalisation de quelques phylogénies Par rapport à ce qui a été montré dans les thèmes précédents, les élèves, en autonomie, doivent : - Se poser le problème du choix de la molécule selon la nature de la phylogénie recherchée. Soit globines pour les vertébrés, soit cytochrome C ou facteur d'élongation pour le monde vivant ; le choix est déterminé par la vitesse d'évolution de ces molécules. - Se poser le problème d'un échantillonnage pertinent : au moins 2 espèces par groupe, celles-ci étant représentatives de la variété du groupe. - Réaliser toute la démarche à partir des séquences alignées choisies (calcul de matrice, calcul de l'arbre, visualisation et enracinement). - Repérer les contradictions par rapport à l'arbre présenté dans le logiciel lors du choix des espèces. - Repérer les contradictions en comparant les résultats obtenus pour deux molécules différentes chez les mêmes espèces. Cette partie peut être réalisée en comparant visuellement les deux arbres obtenus et imprimés, ou en utilisant le module "comparaison de matrices" (cette partie n'a pas été expérimentée). L'utilisation du facteur d'élongation EF1 montre que le monde vivant se subdivise en 3 parties : eucaryotes, archéobactéries et eubactéries (ce qui exclut le terme de procaryotes dans un sens phylogénétique). Les eucaryotes apparaissent plus proches des archéobactéries que des eubactéries. Sachant que les bactéries sont apparues bien avant les eucaryotes elles apparaissent dans l'arbre beaucoup plus diversifiées du point de vue biochimique (les caractères morphologiques ne sont pas adaptés pour différencier ces êtres unicellulaires les uns des autres. Mitochondrie Chloroplaste Chloroplaste Chloroplaste Chloroplaste Micrococcus Mycoplasma Escherichia de de de Levure Cryptomonas Chlaraydomonas d'Euglène d'Astasia luteus gallisepticum coli Tomate Euglène Levure de Candida r Souris boulangerie albicans domestique Homme Mouche du vinaigre Methanococcus vannielii Halobacterium Sulfolobus 4 . 6 2 % de marisraortui acidocaldarius différences Fig. 25.- Arbre du vivant calculé pour la molécule EF1 alpha. La molécule E F 1 permet aussi d'aborder le problème de l'origine des chloroplastes et mitochondries de la cellule eucaryote. Ces organites possèdent une information génétique propre qui permet en particulier la synthèse du facteur d'élongation EF1 qui se trouve être différent de celui fabriqué par la cellule eucaryote. En introduisant chloroplaste et mitochondrie dans leur recherche, les élèves constateront que les séquences EF1 de chloroplaste et de mitochondrie présentent une similitude avec celle des eubactéries (ce qui accrédite l'idée d'une symbiose originelle entre eucaryotes et bactéries (futures organites chloroplaste et mitochondrie). 6. Duplication de gènes La mise en évidence de l'existence d'une similitude entre certaines protéines chez un individu conduit à penser qu'elles sont homologues : elles dériveraient d'une molécule ancestrale. Les protéines étant l'expression des gènes, on peut supposer un seul gène à l'origine (gène ancestral) qui se serait dupliqué. Les deux gènes "fils" auraient évolué indépendamment l'un de l'autre par mutations successives. Chaque gène "fils" pouvant aussi se dupliquer au cours de cette évolution : c'est ainsi que l'on peut obtenir une famille multigénique. En prenant l'exemple des globines plusieurs duplications auraient eu lieu. Les élèves peuvent sélectionner chez l'homme toutes les globines (myoglobine, alpha, bêta, gamma, epsilon, zeta globine) et en suivant la démarche décrite pour établir une phylogénie, construire l'arbre phylogénétique des globines. Myoglobine d'Homme Zêta Alpha - Bêta d'Homme d'Homme d'Homme Epsilon Gamma 3.68% de d'Homme d'Homme différences Fig. 26.- Arbre phylogénétique des différentes globines chez l'Homme. V - CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES A partir des caractéristiques des logiciels et des données utilisés, et tenant compte de l'évolution probable des programmes d'enseignement en cours de redéfinition, plusieurs axes de travail peuvent être évoqués 1. Sur le plan pratique et à court terme, assurer une réelle disponibilité des instruments pour tous les établissements scolaires. Ceci est réalisé en ce qui concerne le logiciel EVOLUTION MOLECULAIRE qui est déjà publié. S'agissant du logiciel SEQAIDII, le souci d'efficacité incite, d'abord, à rendre cette version accessible, plutôt que d'envisager une refonte, voire une réécriture totale. La réalisation d'une version française du logiciel, diffusable sans but lucratif, a déjà été autorisée par les auteurs ; elle est déjà très avancée et sera distribuée avant l'été 1993. Une nouvelle version éventuelle devrait assurer, notamment, l'alignement multiple de séquences, comporter une dimension graphique moderne et offrir une meilleure convivialité dans l'affichage et le parcours des longues séquences. Pour compléter ces logiciels, deux objectifs majeurs semblent à retenir : - l'extension de la banque de séquences associée au logiciel SEQAIDII : celle-ci a fortement progressé et sera à poursuivre pour offrir des séquences de référence correspondant à de nouveaux exemples ou à de nouveaux thèmes de travail possibles. Cette banque sera elle aussi distribuée sans charges. - la recherche ou la réalisation d'un logiciel qui assure l'acquisition active des connaissances sur les espèces et les groupes systématiques, qui constituent des préalables à la compréhension de l'évolution sur le plan moléculaire. Dans le même esprit que le logiciel EVOLUTION MOLECULAIRE, c'est-à-dire en gardant une perspective évolutionniste, ce nouvel outil devrait permettre d'aborder les problèmes avec des données anatomiques et morphologiques. Le logiciel MacClade (qui tourne sur matériels Macintosh) pourrait servir de base de départ pour la conception. Celle-ci peut maintenant bénéficier des instruments récents permettant la saisie et la gestion souple (par numérisation) de l'iconographie indispensable. Le Muséum National d'Histoire Naturelle pourrait être un partenaire dans ce projet. 2. Sur le plan de la recherche pédagogique, il est souhaitable que soit étudié l'impact des approches et des instruments proposés, mieux que nous avons pu le faire jusqu'à maintenant puisque nous avons privilégié les aspects instrumentaux. Ceux-ci étant maintenant disponibles pour des actions significatives en contenu et en durée d'utilisation potentielle, des analyses plus fines et plus fiables sont réalisables. Il est en particulier important de savoir dans quelle mesure les activités devenues possibles contribuent à une meilleure maîtrise des notions fondamentales enseignées, notamment une compréhension plus précise des relations génotype- phénotype, des concepts d'espèce et de temps. 3. En ce qui concerne les développement qui se situent dans l'orientation majeure inspirant ce travail, à savoir les relations entre évolutions scientifiques, innovations technologiques et renouvellements disciplinaires, les explorations pourraient préparer des applications favorisant l'étude des facteurs biochimiques explicatifs des phénomènes biologiques. Il s'agit en particulier d'étudier comment et avec quels instruments, l'enseignement peut faire accéder activement les élèves et les étudiants, aux mécanismes enzymatiques et aux caractéristiques stéréochimiques des macromolécules. Ceci peut déjà se faire sur les micro-ordinateurs actuels, par la visualisation des molécules en 3 dimensions dans le but de les comparer, de visualiser les sites actifs, les parties hydrophobes, hydrophiles, les régions présentant une antigénicité possible. Références : - ALBERTS B. et al. : Biologie Moléculaire de la Cellule. Interéditions, 1988. - DOOLITTLE R.F. (ed.) : Molecular Evolution : Computer Analysis of Protein and Nucleic Acid Séquences. Methods in Enzymology, Vol 183, Académie Press Inc., 1990. - GENERMONT J. : Les Mécanismes de l'Evolution. Dunod, 1990. - KAPLAN J.C., DELPECH M. : Biologie Moléculaire et Médecine. Flammarion, 1989. - LESK A.M. (Ed.) : Computational Molecular Biology. Sources and Methods for Séquence Analysis. Oxford University Press, 1988. - PATTERSON C. : Molécules and Morphology in Evolution : Conflict or Compromise ? Cambridge University Press, 1988. - SAITOU N., NEI M. : Mol. Biol. Evol., 4, 4 0 6 , 1 9 8 7 . - Société Française de Systématique : L'Analyse Cladistique. Problèmes et Solutions Heuristiques Informatisées. Biosystema 2 , 1 9 9 0 . - T A S S Y P. (coordonné par) : L'Ordre et la Diversité du Vivant. Nouvelle Encyclopédie des Sciences et des Techniques, Fayard, 1989. - WATSON J. et al. : Biologie Moléculaire du Gène. Interéditions, 1990. P u b l i c a t i o n s spécifiques d u travail : - HERVE J.C., THERRIE B., SALAME N. : Enseignement de la génétique moléculaire avec des logiciels professionnels d'analyse de séquences. L'informatique scientifique dans l'enseignement de la biologie-géologie au lycée. INRP, 1991, p. 123-130. - PHILIPPE H., LECOINTRE G. : Evolution moléculaire : un logiciel pédagogique pour la construction de phylogénies. L'informatique scientifique dans l'enseignement de la biologiegéologie au lycée. INRP, 1991, p. 131-138. - H E R V E J.C., THERRIE B., S A L A M E N. : Utilisation d'une banque de données moléculaires et d'un logiciel de traitement (SEQAIDII) en première A. Echanges, CRDP de Versailles, 1992, p. 12-20. I n f o r m a t i o ns p r a t i q u e s : - PC/GENE (PC) distribué par Genofit SA, Case Postale 239, 1212 Grand-Lancy, Genève. - GENEPRO (PC) distribué par Riverside Scientific Entreprises, 18332, 57th av. NE, Seattle, Washington 98155. - GENJOCKEY (PC) distribué par GEOCOM, 2 rue Niepce, Paris. - DNASTRIDER (Mac) écrit par C. Marck, service de biochimie, CEA, 91191 Gif-sur-Yvette. - CLUSTALV (PC), D.G. Higgins, P.M. Sharp, Department of Genetics, Trinity Collège, Dublin 2, Ireland. - MULTALIN (PC), F. Corpet, Laboratoire de Génétique Cellulaire, INRA, DBP 27, 31326 C ASTANET TOLOS AN - PHYLLIP (PC), J. Felsenstein, Department of Genetics SK 50, University of Washington, Seattle, Washington, 98195, USA - CDROM E M B L : The EMBL Data Library, Postfach 10.2209, Meyerhofstrasse 1, 6900 Heidelberg, Germany -SEQAIDII : Logiciel "shareware". Auteurs D.D. ROUFFA et D J . R H O A D S , Biology Division, Centre of Basic Cancer Research, Ackert Hall, Kansas State University, Manhattan, KS, 66506. - EVOLUTION MOLECULAIRE : H. PHILIPPE (Université Paris XI) et G. LECOINTRE (MNHN). Commercialisé par JERIKO, 5, Boulevard Poissonnière, 75002, Paris. Imprimerie Bialec - 54000 Nancy - d.l. 29523 - 1 er trimestre 1993 - D'après documents fournis ACTIVITÉS SCIENTIFIQUES INFORMATISÉES Visualiser - Analyser - Modéliser « L'évolution du Savoir universitaire conditionne celle des contenus d'enseignement des Sciences de la Vie et de la Terre, au Collège et au Lycée. Or, les progrès dans les connaissances scientifiques sont étroitement liés au perfectionnement des techniques d'investigation des phénomènes biologiques et géologiques, toujours complexes. La Recherche et l'Industrie font actuellement appel à des technologies et méthodes indirectes d'exploration et de mesure de ces phénomènes. L'ordinateur est donc le moyen d'accès aux objets étudiés, dans de nombreux domaines. En recherchant les transpositions possibles des applications de l'informatique vers l'enseignement secondaire, l'INRP ouvre une voie de renouvellement des activités pratiques et expérimentales des élèves. L'articulation entre les connaissances de base et la maîtrise des instruments informatiques représente, en effet, une nouvelle modalité de construction de leur savoir par les élèves, dans une attitude active de recherche des solutions à un problème posé. Au-delà, cette recherche induit une réflexion fondamentale sur la formation initiale des enseignants. » (R. DEMOUNEM, extrait de la Préface). Cet ouvrage collectif rend compte des explorations concernant « la contribution de l'informatique au renouvellement des activités expérimentales en biologie et en géologie ». Il est destiné, en premier lieu, aux enseignants de la discipline et privilégie la description des instruments et des démarches d'exploitation pratiques, donne une grande place aux illustrations et évite, dans la mesure du possible, les détails techniques. Activités Scientifiques Informatisées fournit des exemples démonstratifs de l'efficacité des outils informatiques et de leur caractère indispensable pour l'étude de domaines et de concepts qui sont fondamentaux pour l'enseignement des Sciences de la Vie et de la Terre. En géophysique, les explorations ont concerné la modélisation de la subduction ; en hydrogéologie, la gestion quantitative et qualitative des nappes d'eau ; en biologie, la gestion des ressources renouvelables, le suivi automatisé de milieux biologiques, la neurophysiologie et la biologie moléculaire. Les domaines d'investigation ont été choisis en conciliant leur intérêt pédagogique - leur appartenance aux programmes et le caractère problématique de leur enseignement - et la probabilité d'y rencontrer des applications informatiques évoluées et transférables à l'éducation. Également disponible : • L'INFORMATIQUE SCIENTIFIQUE D A N S L'ENSEIGNEMENT DE LA B I O L O G I E ET D E L A G É O L O G I E - Actes d u colloque organisé par l'École N o r m a l e S u p é r i e u r e et L ' I N R P . 1991. 291 p. Réf. BT018- 130 F Institut National de Recherche Pédagogique 29, rue d'Ulm, 75230 PARIS CEDEX 05 - Tél. (1) 46 34 90 00 ISBN : 2-7342-0352-9 Réf : 009 BT 022 150 F U.c.
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