Modélisation de l’évolution des pinsons des Galapagos avec le logiciel Vensim PLE

Contexte scientifique

Depuis une quarantaine d’années, les populations de pinsons des îles Galapagos (genre Geospiza) font l’objet d’un suivi poussé par l’équipe de Peter et Rosemary Grant, notamment sur la petite île de Daphne major. Dans les années 1970 cette île était principalement occupée par une population de pinsons à becs moyens, de l’espèce Geospiza fortis.

G. fortis à petit bec

G. fortis à gros bec

Graines de Tribulus cistoides

Deux phénotypes sont principalement représentés : des G. fortis à becs plus petits, majoritaires, se nourrissant essentiellement de graines de plantes herbacées, et des G. fortis à becs plus gros et plus puissants, minoritaires, capables de se nourrir des graines dures d’un arbuste dominant sur l’île (Tribulus cistoides).

En 1977 une forte sécheresse a empêché la production de petites graines. Les pinsons à gros becs ont donc mieux survécu, en se nourrissant des graines plus dures. Cet évènement de sélection a inversé les proportions de petits becs et de gros becs au sein de la population.
Par la suite de fortes précipitations (notamment en 1983) ont favorisé la production de petites graines tendres. Les pinsons à petits becs ont été avantagés, se sont plus reproduits et sont redevenus majoritaires.
En 2004 une nouvelle sécheresse a frappé l’île. Mais cette fois-ci, contrairement à 1977, les G. fortis à gros becs ont été contre-sélectionnés. En effet entre temps une nouvelle espèce s’est installée sur l’île : G. magnirostris, plus gros et plus puissant, qui accapare les ressources en graines dures.


Geospiza magnirostris

Les pinsons des Galapagos offrent donc des exemples de sélection naturelle sur un caractère héréditaire (la taille et la forme du bec) liée aux conditions environnementales (environnement à « petites graines » versus environnement à « grosses graines ») et à la compétition entre espèces.

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Modélisation

Le logiciel Vensim PLE permet de modéliser des flux entre compartiments, et peut être utilisé pour modéliser des cycles géochimiques (voir le site ACCES de l’INRP). Ici on se propose de modéliser les évènements de sélection survenus depuis 30 ans sur l’île Daphne major. Le forçage des modèles est représenté par la quantité d’eau disponible, qui détermine le niveau de production des ressources alimentaires des pinsons. La variable de sortie est la proportion dans la population de G. fortis d’oiseaux à gros becs et d’oiseaux à petits becs. En cours de simulation, la quantité d’eau est ajustée à l’aide d’un curseur, le rapport gros becs / petits becs étant rendu par un graphique.

Critères de construction des modèles :


  Durée de 5 trimestres conforme aux données scientifiques ;
  Effectifs initiaux de pinsons correspondant à ceux réellement observés sur le terrain ;
  Conversion directe des unités d’eau en unités de graines, puis d’oiseaux ;
  Définition empirique des équations de flux de telle sorte que les résultats s’approchent des données de terrain.

 


Il est important de noter qu’en raison de ces deux derniers partis pris, les modèles ne sont pas strictement scientifiques, mais sont plutôt à voir comme des outils à visée pédagogique.

Présentation des modèles et des possibilités de travail des élèves

Les 2 évènements de sélection (1977 et 2004) se prêtent à modélisation.
La construction complète des modèles par les élèves ne paraît pas envisageable car ils sont trop complexes.
Pour simplifier l’abord des modèles, on peut utiliser les versions dans lesquelles les flèches reliant les différents paramètres et les compartiments sont de couleur blanche (donc invisibles sur le fond blanc) :

Modèle 1977, complet

Modèle 1977, flèches cachées

Plusieurs modèles sont proposés (pour télécharger, clic droit et enregistrer la cible du lien sous...) :


  Le modèle 1977 complet (version avec flèches apparentes)
  Le modèle 1977, flèches cachées, sans la variable de sortie (proportion gros becs / petits becs)
  Le modèle 1977, flèches cachées, avec la variable de sortie(proportion gros becs / petits becs)
  Le modèle 2004 complet (version avec flèches apparentes)
  Le modèle 2004, flèches cachées, avec la variable de sortie(proportion gros becs / petits becs)
  Le modèle2004, flèches cachées, sans la variable de sortie (proportion gros becs / petits becs)
  Le modèle 2004, sans la variable de sortie ni Geospiza magnirostris.

 


Pour la construction des modèles et leur utilisation, se reporter à la fiche technique du logiciel.

Il peut également être intéressant de demander aux élèves de confronter les résultats de la simulation avec les graphiques publiés par l’équipe des époux Grant (documents disponibles dans le diaporama et dans la fiche technique professeur).

Documents en téléchargement

  Diaporama de présentation
  Fiche technique professeur
  Fiche de consignes
  Fiche technique de Vensim
  Ensemble des modèles (dossier compressé)

Références

	Logiciel Vensim PLE : téléchargeable gratuitement sur http://www.vensim.com
	Evolution of character displacement in Darwin’s finches. Peter & Rosemary Grant, Science 313, 224-226 (2006)
	Guide critique de l’évolution. Guillaume Lecointre (dir.), Belin pp 312-330 (2009)
	Site Planet-Terre
	Site ACCES de l’INRP
	Modèles et modélisation en SVT, Groupe Recherche-Formation (Académie de Toulouse)

Place de l’activité dans les programmes : Thème 1 – La Terre dans l’Univers, la vie et l’évolution du vivant : une planète habitée ; La biodiversité, résultat et étape de l’évolution.

Objectifs de connaissances : la sélection naturelle peut conduire à l’apparition de nouvelles espèces.

Capacités et attitudes :
  Utiliser un logiciel de modélisation pour comprendre la sélection naturelle.
  Pratiquer une démarche scientifique (formuler une hypothèse, expérimenter).

Matériel nécessaire :
  Salle avec postes informatiques ;
  Logiciel Vensim PLE installé sur le réseau ou sur les postes (téléchargeable gratuitement sur http://www.vensim.com) ;
  Fichier des modèles accessibles sur le réseau ou sur les postes.