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Dossier : Opinions et savoirs

Métaphore du programme génétique et problématisations de la différenciation cellulaire au cours du développement embryonnaire par des élèves de première scientifique

Genetic Programming and Problem Building around Cell Differentiating During Embryo Development with 16-17 Year Olds Specialized in the Sciences
Metapher des genetischen Programms und Problematisierungen der Zelldifferenzierung bei der Embryonalentwicklung durch Schüler einer 12. Klasse des mathematisch-naturwissenschaftlichen Zweigs
Metáfora del programa genético y problematizaciones de la diferenciación celular durante el desarrollo embrionario por alumnos de Primero de bachillerato francés opción ciencias
Julie Gobert
p. 121-152

Résumés

Cette étude analyse les problématisations d’élèves de première scientifique sur le concept de développement embryonnaire au cours d’un débat en classe. Afin d’éclairer l’analyse didactique du corpus, cette recherche propose une analyse épistémologique de problématisations du développement qui se rattachent au préformisme, à la théorie de l’épigénèse et à la théorie du darwinisme cellulaire. Cette dernière propose actuellement au sein de la communauté scientifique une problématisation du développement dans un cadre de pensée évolutionniste en mobilisant des explications causales probabilistes. Cette théorie émergente actuelle vient profondément renverser le paradigme du prédéterminisme génétique.
Le « préformisme moléculaire » est un obstacle fondamental pour penser le développement dans un cadre évolutionniste. Il empêche de problématiser au sens où il contente le sujet par son apport tout assertorique qui ne questionne rien et fige la pensée. L’étude épistémologique nous a aidé à construire des repères pour mener l’analyse didactique de notre corpus. Le travail de problématisation des élèves leur a permis de construire des contraintes et des nécessités dans des registres explicatifs différents. Nous montrons comment le pointage de contradictions sur les modèles par les élèves leur permet de positionner le problème et comment cela participe du basculement des élèves dans un registre explicatif probabiliste darwinien.

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Texte intégral

Introduction

1Cette recherche en didactique des sciences de la vie porte sur l’analyse épistémique d’un débat scientifique en classe de première scientifique sur le concept de développement embryonnaire. Il tente de caractériser les différents registres explicatifs dans lesquels les élèves raisonnent et les obstacles en jeu dans ces apprentissages. Nous mobilisons dans cette étude le cadre théorique de la problématisation développé au laboratoire du CREN de l’université de Nantes (Orange, 2000, 2002, 2005, 2006 ; Beorchia & Lhoste, 2008) ; le concept d’obstacle épistémologique (Bachelard, 1938) ; les travaux sur l’argumentation en classe de sciences (Buty & Plantin, 2009a ; Rebière, Schneeberger & Jaubert, 2009 ; Fillon & Peterfalvi, 2009 ; Buty & Plantin, 2009 ; Jiménez Aleixandre & Díaz de Bustamante, 2009 ; Orange, Lhoste & Orange-Ravachol, 2009) et les travaux de didactique du travail sur les obstacles dans l’enseignement des sciences (Astolfi & Peterfalvi, 1997 ; Fabre & Orange, 1997 ; Peterfalvi, 2006).

2Nous faisons l’hypothèse qu’un travail sur l’obstacle de la métaphore du programme génétique est possible avec des lycéens par un travail de problématisation sur le concept de développement embryonnaire. Nous pensons qu’un dispositif didactique axé sur la problématisation du développement embryonnaire peut permettre aux lycéens de filières scientifiques de mobiliser des explications causales génétiques, épigénétiques et probabilistes.

3Les modèles explicatifs des élèves peuvent être référés à des théories scientifiques clairement identifiées par l’analyse épistémologique menée : le préformisme moléculaire, l’épigénèse, le darwinisme cellulaire. Cette dernière propose actuellement, au sein de la communauté scientifique, une problématisation du développement dans un cadre de pensée évolutionniste qui va à l’encontre du déterminisme génétique extrême en mobilisant des explications causales probabilistes.

4Nous exposerons dans une première partie notre analyse épistémologique. Nous proposerons, à partir des travaux de J.-J. Kupiec, deux problématisations portant sur deux problèmes distincts : le problème de la stabilité du développement et le problème de l’origine des différenciations cellulaires au cours du développement embryonnaire.

5Nous présenterons ensuite une analyse macroscopique du débat qui constitue notre corpus de données. Nous nous centrerons sur les épisodes argumentatifs où les modèles explicatifs des élèves sont à l’œuvre dans le débat. Nous montrerons comment la discussion critique permet la position du problème par les élèves et sa construction dans un registre explicatif relevant à la fois du préformisme et de l’épigénèse, ce qui peut sembler paradoxal, et dans un registre probabiliste darwinien.

1. Cadre théorique et méthodologie

  • 1 Celle-ci est notamment véhiculée par les manuels scolaires au travers des textes et des images en r (...)

6Nous tentons de montrer comment le travail de problématisation par les élèves, au cours du débat, permet de travailler sur l’obstacle épistémologique que représente la métaphore du programme génétique de développement, actuellement très présente dans l’opinion commune1.

7Nous pensons que la construction de problèmes est un moyen d’accès à la connaissance scientifique et donc un moyen de rompre avec la connaissance commune (Bachelard, 1938 ; Fabre, 1999). Les débats en classe sont des moments privilégiés où les élèves sont amenés à expliciter leurs conceptions et à les confronter à celles des autres, ce qui favorise le développement d’argumentations et donc l’accès aux raisons qui caractérisent le savoir scientifique savant et scolaire. Selon Christian Orange, l’activité scientifique doit permettre la construction des conditions de possibilité des solutions explicatives d’un problème, ce que l’on nomme la problématisation. Elle « se fait à partir d’un problème explicatif perçu, par exploration critique des solutions possibles » (Orange, 2006). Au cours d’une problématisation se réalise « une construction qui articule un domaine empirique (registre empirique) et un domaine où s’élabore le modèle proprement dit (registre des modèles) » (ibid.). Le registre explicatif intervient en permanence pour organiser cette articulation. L’analyse didactique du corpus, éclairée par l’analyse épistémologique, permet d’identifier des modèles explicatifs proposés par les élèves de première S et leurs problématisations du concept de développement au cours d’une activité de débat scientifique en classe. Nous tenterons de caractériser les registres explicatifs mobilisés par les élèves en nous référant à notre analyse épistémologique.

8La méthodologie employée dans cette contribution est celle développée par Christian Orange (2000). Elle nous permet de formaliser les problématisations scientifiques de chercheurs et d’élèves sous la forme d’espaces de contraintes. Nous avons également réalisé une macrostructure (Fabre & Orange, 1997 ; Fabre, 1999) du débat enregistré en classe. Celle-ci aide à mieux rendre compte de la dynamique du raisonnement (Lhoste, Peterfalvi & Orange, 2007). Elle permet de repérer des épisodes qui se définissent par les problèmes qui y sont travaillés et se caractérisent par des interactions langagières entre élèves où se joue une discussion critique autour des différentes propositions envisagées.

9Nos analyses sont faites d’un point de vue épistémique, à partir des productions langagières des élèves. Notre analyse des arguments se réfère à la schématisation de Grize (1982). Le repérage et l’analyse des structures argumentatives de certains épisodes du débat, vont nous renseigner sur les problèmes qu’identifient les élèves et qu’ils prennent en charge par la construction de contraintes empiriques et de nécessités sur les modèles et par l’exploration de possibles.

10Lors d’une problématisation, les propositions qui relèvent du registre empirique sont celles faisant référence à un fait empiriquement constatable. Les propositions renvoyant à des idées explicatives relèvent du registre des modèles. Des éléments du registre des modèles peuvent avoir le statut de Contraintes théoriques (CT). Celles-ci sont des idées qui servent d’appui voire de point de départ au problème et qui ne sont pas discutées. Les nécessités sur les modèles (CM) sont les conditions de possibilité sur les modèles explicatifs issues du registre des modèles, relevant de la problématisation en jeu. Les contraintes empiriques (CE) sont issues du registre empirique et viennent contraindre les possibles. Nous ne pouvons les catégoriser comme telles que si elles résultent de l’articulation d’éléments du registre empirique et du registre des modèles et sont inscrites dans un raisonnement explicite ou implicite.

11Ainsi, les éléments du registre empirique et du registre des modèles peuvent prendre le statut de contraintes et de nécessités, s’ils sont mis en relation dans un raisonnement qui articule :

  • un élément du registre empirique, qui acquiert donc un statut de contrainte ;

  • un élément du registre des modèles qui devient une nécessité ;

  • un principe explicatif issu du registre explicatif et qui a le statut, dans le raisonnement, de contrainte théorique.

  • 2 La reproductibilité du plan d’organisation de l’espèce propre à l’individu au cours du développemen (...)

12Notre positionnement didactique intègre le repérage et l’utilisation des obstacles épistémologiques pour penser et faire construire des savoirs scientifiques à l’école. L’enseignement de savoirs scientifiques problématisés s’oppose par nature à l’inertie des obstacles (Peterfalvi, 2006). Certains auteurs (Beorchia, 2003 ; Lhoste, 2008 ; Gayon, 2009 ; Lhoste & Gobert, 2009) ont déjà pointé des obstacles épistémologiques en relation avec l’objet de cette recherche. D’une part, le déterminisme génétique inclut l’idée d’une prédictibilité (Gayon, 2009, p. 81) à la fois du phénotype de l’individu en développement mais également d’une voie développementale programmée. L’étonnante stabilité du développement2 ne pose pas problème dans ce cadre. Un obstacle épistémologique nourrit ce déterminisme : là où une multitude d’itinéraires ont été possibles pour arriver au même résultat, là où des possibilités de stratégies multiples amènent à la réalisation d’un même effet global, un masquage de cette diversité de possibles s’opère dans la pensée commune, pour ne retenir qu’un récit réducteur, identifiant une cause et une conséquence. L’idée qu’une diversité de possibles puisse amener à un même effet global nécessite un travail contre le déterminisme génétique issu du cadre théorique de la génétique classique (Gayon, 2009, p. 79). D’autre part, dans une conception préformiste, le développement peut être envisagé comme un fonctionnement orienté, guidé par des causes internes dont la finalité est la reproduction conforme du plan d’organisation et donc des caractéristiques phénotypiques de l’espèce à laquelle appartient l’individu. C’est alors une représentation typologique de l’espèce qui est à l’œuvre. Or des auteurs (Lhoste, 2008, p. 325 ; Lhoste & Gobert, 2009) ont montré que le registre explicatif d’élèves lycéens, confrontés au thème de l’évolution, est le plus souvent celui d’un transformisme téléologique, registre dans lequel les élèves mobilisent une représentation typologique de l’espèce. Par ailleurs, l’idée d’un programme génétique centralisé nous semble être un obstacle pour penser le développement. Celui-ci se caractérise par l’idée qu’une entité unique détient le programme de développement et en distribue l’information instructive aux cellules. Nous nous référons pour cela à d’autres obstacles qui comportent des aspects communs à celui que nous pointons : l’obstacle du céphalocentrisme (Beorchia, 2003, p. 205) en physiologie nerveuse qui se caractérise notamment par l’idée que le cerveau est le seul organe actif à partir duquel tous les messages partent, seul capable d’intégration, il est au sommet d’une hiérarchie descendante ; l’obstacle du cardiocentrisme, dans lequel c’est le cœur qui est survalorisé (Beorchia, 2003, p. 205). Nous rechercherons comment ces obstacles émergent et sont mis au travail au cours de la problématisation du concept de développement embryonnaire par les élèves de première S.

2. Analyse épistémologique

2.1. Regards critiques sur le préformisme

13La métaphore du programme génétique est ancrée dans la pensée commune. Elle est omniprésente dans les médias, les manuels scolaires (Abrougui, 1997 ; Castéra et al., 2008). Or, elle constitue une explication magique permettant d’identifier la cause unique du développement, cause qui contient elle-même l’effet (Atlan, 1999, p. 59-61). « Derrière la métaphore du programme apparaît alors l’essence de la vie et celle-ci est vite transformée en sanctuaire et en patrimoine. Le génome devient alors le fétiche, sources d’autant de peurs que de fascinations » (Atlan, 1999, p. 61). La métaphore du programme génétique tire sa force d’ambigüités sur lesquelles elle s’est construite et notamment la « tentation inévitable d’associer le stockage numérique de l’information génétique dans des séquences de nucléotides et le codage numérique de messages littéraux, qui avait constitué le sujet de la théorie de l’information » (Fox Keller, 2004, p. 165).

14Il faut également souligner la valeur heuristique de cette métaphore notamment pour les recherches en biologie moléculaire et cellulaire depuis les années soixante-dix. Ces disciplines de la biologie fonctionnelle restent cependant sur des explications qui ne se réfèrent pas à l’évolution ni aux mécanismes darwiniens de l’évolution. Pour Michel Morange, cela relève d’un obstacle épistémologique : celui d’associer explications fonctionnelles et explications évolutionnistes (Morange, 2009).

15Canguilhem, Lapassade, Piquemal, et Ulmann, ont montré à travers une étude épistémologique comment s’est constituée une pensée du développement et de l’évolution depuis 1759 date de publication de Théoria générationis de Friedrich Wolff, à 1859, date de l’Origine des espèces de Charles Darwin. Dans toutes les explications préformistes développées au cours du xviie et xviiie siècle, « pour les uns comme pour les autres, la totalité de la forme terminale se trouvait déterminée par la totalité de la forme initiale » : le développement comme agrandissement ou déploiement de la forme rend compte de « l’homogénie biologique de reproduction par génération » (Canguilhem et al., 1962).

16Au cours du xxe siècle, la biologie moléculaire et la génétique vont fournir à l’hérédité et au développement des explications moléculaires révélant le support informatif, codifié, des messages nécessaires à leur stabilité. « Ce qui est transmis de génération en génération, ce sont les “instructions” spécifiant les structures moléculaires, ce sont les plans d’architecture du futur organisme […] Chaque œuf contient donc, dans les chromosomes reçus de ses parents, tout son propre avenir, les étapes de son développement, la forme et les propriétés de l’être qui en émergera » (Jacob, 1970, p. 10). Or, ce modèle de développement est un retour à un préformationnisme extrême (Atlan, 1999, p. 58). En effet, « elle conduit à attribuer au génome les propriétés qu’on attribuait autrefois au germe […] Derrière la métaphore du programme apparaît alors l’essence de la vie » (Atlan, 1999, p. 60-61). La métaphore du programme génétique de développement qui nous intéresse ici est celle qui s’ancre alors dans un déterminisme génétique au sens où l’a explicité Jean Gayon : « le déterminisme génétique consiste à soutenir que l’état futur d’un organisme est prédictible sur la base de sa composition génétique ». La non prise en compte du contexte environnemental fait partie intégrante du déterminisme génétique (Gayon, 2009, p. 81). Il s’agit bien de prédire le phénotype à partir du génotype en excluant tout facteur épigénétique. Le programme génétique de développement instruit des opérations tout au long de la vie de l’individu (Jacob, 1970, p. 18) : elles « conduisent chaque individu de la jeunesse à la mort » et « ne reçoit pas les leçons de l’expérience » (Jacob, 1970, p. 11). La prédictibilité des évènements enlève toute contingence au développement des organismes. Leur historicité n’est qu’« une destinée », non plus parmi de multiples possibles, mais préexistante aux individus. Nous nommons préformisme moléculaire le registre explicatif dans lequel s’inscrit le modèle du programme génétique de développement, dans sa vision déterministe.

17L’idée de programme génétique de développement s’accompagne d’un modèle instructif qui vient en réponse au problème de la différenciation cellulaire au cours du développement embryonnaire. D’après J.-J. Kupiec, ce modèle instructif « suppose l’existence de molécules spécifiques qui déterminent rigoureusement le destin des cellules » (Kupiec, 2005, p. 34-38). Cet auteur remet en cause ce modèle instructif. D’après lui, les résultats expérimentaux ont bien montré l’existence de molécules impliquées dans la différenciation cellulaire mais non spécifiques, présentes dans de nombreux tissus, et utilisées à différents stades du développement ; mais « elles ne portent aucune information définissant un type cellulaire » (Kupiec, 2005, p. 34-38). De plus, cet auteur montre comment ce modèle instructif nécessite une hétérogénéité des cellules dès le début du développement embryonnaire, hétérogénéité qu’il est sensé expliquer.

18Historiquement, c’est d’abord la théorie de l’épigénèse qui vient s’opposer au préformisme à la fin du xviiie siècle.

2.2. Les apports de la théorie de l’épigénèse

19F. Wolff, dans sa théorie de l’épigénèse publiée en 1759, offrait une perspective nouvelle opposée au préformisme. Il a mené des études sur le développement de monstres. Leur développement s’expliquerait par la modification de la succession des étapes de développement. Celles-ci seraient dépendantes des conditions du milieu rencontrées. Avec cette interprétation, le concept de développement s’enrichit profondément : les conditions du milieu pouvant varier, l’ordre des étapes du développement, loin d’être stable et figé, est « gros de déviations éventuelles » (Canguilhem et al., 1962, p. 25). Par conséquent, chaque individu adulte expliqué par l’embryogénèse apparaît « parmi ceux que les monstruosités nous suggèrent, que comme un possible parmi d’autres, le plus viable simplement » (Canguilhem et al., 1962, p. 26). L’individu devient un possible parmi d’autres et cela lui confère une historicité jusque là ignorée. Une rupture réelle se produit donc avec les travaux de Wolff, dans sa théorie de l’épigénèse. Elle montre les « premières tentatives explicites de construction de nouveaux concepts en embryologie, concepts dans lesquels devaient trouver directement ou indirectement leurs conditions logiques d’élaboration les concepts Darwiniens et post darwiniens de descendance » (Canguilhem et al., 1962, p. 18).

20Actuellement, le nouveau paradigme de l’épigénétique en embryologie, soutient l’idée que l’activité différentielle des gènes au cours du développement se réalise de manière globale et dépend de l’état de la chromatine. L’épigénétique actuelle reste un domaine aux « multiples facettes » (Morange, 2005a). Elle viendrait répondre au manquement de la génétique (Morange, 2005b). Notre analyse épistémologique ne s’est pas portée sur l’épigénétique actuelle.

2.3. La théorie du darwinisme cellulaire

21Nourrie des données de la génétique et de la biologie moléculaire, la théorie du darwinisme cellulaire les réinterprète dans un nouveau registre explicatif qui se distingue par la place qu’il fait au hasard : « Il est maintenant clairement démontré que le hasard se niche au cœur des organismes, dans le fonctionnement des gènes et des cellules ». Les cellules d’un organisme se différencient par un mélange de hasard et de sélection (Kupiec, 1996, p. 385-390).

22Nous avons analysé deux problématisations distinctes à partir d’écrits de Jean-Jacques Kupiec. L’une porte sur le problème de la stabilité du développement et l’autre sur le problème de la stabilisation des cellules dans des états différenciés communs au cours du développement embryonnaire.

2.3.1. Problématisation de la stabilité du développement

23Pour Jean-Jacques Kupiec, de nombreuses données expérimentales montrent que l’expression des gènes est un phénomène stochastique (Kupiec, 2008, p. 181-184). Comment une expression génique aléatoire au cours du temps peut-elle rendre compte de la stabilité du développement ?

  • 3 La redondance des gènes signifie la répétition dans le génome d’un même gène à plusieurs endroits.
  • 4 Séquences d’ADN qui ne codent pas pour des protéines et qui s’intercalent entre les gènes.

24Le modèle déterministe d’un programme de développement qui correspondrait à une succession d’étapes d’allumage des bons gènes aux bons endroits et aux bons moments n’explique pas deux faits empiriques nouveaux : la redondance3 des gènes et la présence d’ADN « poubelle »4. Au contraire, dans un cadre explicatif probabiliste, la théorie du darwinisme cellulaire éclaire ces faits, les réinterprète d’une manière nouvelle. Dans un registre explicatif probabiliste, les modifications locales du milieu sont des phénomènes contingents. La redondance et l’ADN poubelle, en maintenant une certaine probabilité d’expression à différentes séquences géniques sont des solutions retenues par le vivant au cours de l’évolution qui permettent d’assurer l’expression au cours du développement de séquences d’activation géniques indispensables à la réalisation et à la stabilité du développement. Dans cette problématisation du développement, il faut nécessairement des mécanismes qui assurent une grande probabilité d’expression aux séquences d’activations géniques qui permettent la réalisation des voies développementales. Cette nécessité résulte de la mise en tension de trois contraintes. L’expression aléatoire des gènes est une contrainte théorique (CT) qui structure les raisonnements qui permettent d’expliquer le développement dans un registre probabiliste. Elle est mise ici en tension avec deux autres contraintes empiriques : la stabilité du développement (CE) et la contingence des modifications locales du milieu au cours du temps (CE). Ainsi les solutions explicatives du problème de la stabilité du développement dans un registre explicatif probabiliste doivent tenir compte de ces trois contraintes et de la nécessité d’assurer une grande probabilité d’expression aux séquences d’activation géniques qui permettent la réalisation des voies développementales. Celles-ci sont l’objet d’une forte sélection au cours de l’évolution. En effet, elles contraignent la réussite du développement, qui elle-même est une condition nécessaire à la survie de l’individu. Les séquences d’activation géniques propres au développement sont donc conservées au cours de l’évolution. La contingence des évènements moléculaires génétiques et épigénétiques au cours du développement est une contrainte empirique tout aussi incontournable que celle de la stabilité et de la fiabilité du développement. Les solutions explicatives du problème du développement intègrent forcément ces contraintes empiriques. Les modèles explicatifs doivent inclure l’existence d’une diversité de séquences d’activations possibles (CM) et donc d’une diversité de voies développementales possibles. On rejoint ici la théorie de l’épigénèse.

25Nous proposons un espace de contraintes de la problématisation du développement dans un registre explicatif évolutionniste probabiliste centré sur le problème de la stabilité du développement (figure 1).

26Dans les espaces de contraintes que nous proposons et qui schématisent les problématisations des élèves, nous avons signalé l’émergence d’une nécessité sur le modèle par une flèche issue du centre d’un triangle. Le triangle indique, par ses traits, les mises en relation des contraintes empiriques et/ou théoriques qui ont permis l’émergence de la nécessité. Nous avons représenté en grisé les contraintes ou nécessités identifiées à partir des implicites que nous avons tenté de mettre à jour lors de l’analyse des propositions d’élèves.

2.3.2. Problématisation de la stabilisation des cellules dans un état différencié commun

27Jean-Jacques Kupiec introduit le concept d’identification cellulaire pour décrire le phénomène de stabilisation des cellules dans un état particulier. Pour lui, « ce qui crée problème et doit être expliqué, ce n’est pas que les cellules se différencient, puisque c’est leur tendance spontanée, mais au contraire qu’elles puissent se stabiliser dans des états communs à nombre d’entre-elles » (2008). Dans le registre explicatif évolutionniste probabiliste, un tissu de cellules stabilisées dans un type cellulaire particulier correspond à une population de cellules dont, globalement, l’expression des gènes est figée à un moment donné. Dans le registre du préformisme moléculaire, un tissu de cellules est un ensemble de cellules s’étant différenciées de manière identique sous l’action de molécules instructives.

Figure 1 : Espace de contrainte de la problématisation du problème de la stabilité du développement dans un registre probabiliste évolutionniste

Figure 1 : Espace de contrainte de la problématisation du problème de la stabilité du développement dans un registre probabiliste évolutionniste

28Pour pouvoir expliquer la stabilisation d’une population cellulaire (RE) dans un registre explicatif probabiliste, l’homogénéité des cellules issues de la cellule-œuf prend le statut de contrainte empirique (CE) en articulation avec une contrainte théorique qui est celle de leur instabilité (CT). Elles sont instables dans le sens où elles peuvent se différencier spontanément lors d’évènements aléatoires. La mise en relation de ces deux contraintes permet la construction de la nécessité d’un processus de sélection (CM). « Chaque cellule fluctue de manière aléatoire entre différents états et se trouve stabilisée dans un de ces états en fonction des interactions qu’elle établit avec les cellules voisines. L’embryon se développe donc par une succession d’étapes où l’environnement de chaque cellule exerce sur elle une pression de sélection, qui lui fait adopter un état parmi tous ceux initialement possibles » (Kupiec, 2009). En cela, le darwinisme cellulaire « est donc fait d’un mélange de sélection analogue à la théorie de la sélection naturelle, mais transposé au niveau du comportement cellulaire » (Kupiec, 2008, p. 22). Les interactions cellulaires stabilisent a posteriori les différenciations cellulaires et donc l’expression génétique, par ce mécanisme de sélection (CM). Nous proposons un espace de contrainte de la problématisation de l’identification cellulaire (figure 2).

Figure 2 : Espace de contrainte de la problématisation du problème de la formation des tissus comme populations de cellules maintenues dans un état différencié commun

Figure 2 : Espace de contrainte de la problématisation du problème de la formation des tissus comme populations de cellules maintenues dans un état différencié commun

29À la lumière de cette étude épistémologique, nous nous proposons de caractériser les registres explicatifs dans lesquels des élèves de première scientifique en situation d’apprentissage ont problématisé le concept de développement.

3. Étude d’un débat scientifique en première S

3.1. Dispositif et corpus de données

30Il s’agit d’une séance réalisée dans une classe de première S de 8 élèves du Collège Lycée Expérimental d’Hérouville Saint-Clair (Calvados, 2007-2008). Elle s’appuie sur le programme de seconde, dans la partie Cellule, ADN et Unité du vivant. On peut y lire que le développement embryonnaire « conduit à la mise en place du plan d’organisation en suivant un programme génétiquement déterminé. Malgré leur diversité les grands plans d’organisation du monde vivant sont en partie sous le contrôle des gènes apparentés tels que les gènes homéotiques » (BO, n° 6 du 12 août 1999), ce qui relève du préformisme moléculaire. Les élèves de première S ont donc abordé cette partie de programme en classe de seconde.

31Au cours de la séance, les élèves réalisent une production écrite individuellement afin d’exposer leurs premières explications. Un débat scientifique est ensuite mené dans la classe. Ce débat a été enregistré puis retranscrit, il est constitué de 114 interventions. Ce débat a lieu en tout début de séquence, aucun travail sur le développement embryonnaire ne précède ce moment. Les élèves ne peuvent donc pas mobiliser des données issues de documents experts.

32L’analyse des interventions de l’enseignante n’a pas été réalisée dans ce travail de recherche. Ainsi, nous ne montrerons pas comment le pilotage de l’enseignante influe sur le processus de problématisation des élèves et le travail sur les obstacles. Nous précisons cependant que les intentions de l’enseignante, lors de ses interventions, sont de permettre aux élèves de déployer leurs conceptions initiales, d’en dégager des controverses, d’envisager d’autres possibles, de problématiser. C’est une situation didactique ouverte pensée dans un but de construction de problèmes et non de résolution de problèmes.

33Les consignes données aux élèves sont les suivantes : « Expliquer comment peut se réaliser la mise en place des organes au cours du développement embryonnaire sachant que les cellules d’un organisme possèdent toutes la même information génétique, et pourtant, elles sont différenciées ».

34Les problèmes que l’enseignante a souhaité mettre au travail sont ceux de l’origine du processus de différenciation cellulaire et de l’organisation des cellules différenciées. Elle propose des faits empiriques qui semblent se contredire et s’appuie donc sur un paradoxe apparent qui est problématique : « on peut parler de problème à partir du moment où, dans les explications d’un phénomène (biologique ou géologique), la mise en relation (en articulation, en tension…) d’éléments de savoir ne va pas de soi, semble contradictoire ou paradoxale » (Lhoste & Peterfalvi, 2009, p. 87). Ce paradoxe apparent présent dans cette situation problème est relié aux obstacles du déterminisme génétique et du préformisme. Certains types d’obstacles « permettent l’émergence d’un problème à partir du moment où on peut commencer à entrevoir leur non-cohérence avec d’autres éléments que l’on accepte aussi. Ils le permettent quand ils commencent à perdre leur statut d’obstacle. Mais sans cette idée qui faisait obstacle, et sans cette incohérence perçue, le problème ne serait pas apparu » (ibid., p. 101). Dans la situation présente, ces deux obstacles correspondent à des « obstacles difficulté » (ibid., p. 101).

35Ainsi la situation didactique proposée doit permettre d’engager les élèves dans la position du problème (Fabre, 1999 ; Beorchia, 2004), en les amenant à discuter du paradoxe apparent. « La formulation du problème, dans cette phase, pourrait correspondre à la formulation de ces incompatibilités et de l’intention de les réduire » (Lhoste & Peterfalvi, 2009, p. 101). Un travail sur les obstacles doit « favoriser leur manifestation pour qu’elle puisse faire l’objet d’un regard critique » et consiste à « introduire de la difficulté, à fissurer l’évidence de la réponse donnée, à entamer la cohérence apparente » (Peterfalvi, 2006). Ainsi, le débat doit permettre d’engager les élèves dans une discussion critique et une construction de contraintes et de nécessités sur les modèles, en faisant émerger en particulier l’obstacle épistémologique du programme génétique déterministe et du préformisme.

36De plus, la situation didactique proposée ouvre sur la possibilité, pour les élèves, de mobiliser des explications épigénétiques et/ou probabilistes. Nous faisons l’hypothèse que certains éléments de la théorie de Jean-Jacques Kupiec sont susceptibles d’être appréhendés par ces élèves de première S pour différentes raisons. Lors d’un travail sur les interactions enzyme-substrat, au cours du thème Du génotype au phénotype, relations avec l’environnement, ces élèves de première S avaient travaillé sur des explications probabilistes, mobilisant une représentation stochastique des interactions moléculaires s’appuyant sur le principe de l’agitation brownienne des molécules. Ce travail avait permis de donner une alternative explicative au principe de stéréospécificité présent dans le programme officiel (BO hors série, n° 6 du 29 août 2002). Or, des analogies peuvent être mobilisées lors de la problématisation du développement embryonnaire sur certains aspects : « en physique statistique les objets qui nous entourent ont l’air parfaitement stables et déterminés, mais cet ordre apparent se constitue avec des particules dont le comportement est aléatoire. Il en est de même de l’identification cellulaire » (Kupiec & Sonigo, 2000). Ces élèves avaient déjà travaillé, lors des enseignements de mathématiques, sur la partie Probabilité et statistique du programme de première S (BO, n° 7 du 31 août 2000, p. 175). Ils ont travaillé, à l’occasion de ces enseignements, sur la définition d’une loi de probabilité sur un ensemble fini et sur les notions de moyenne, variance et écart-type. Par conséquent, ils ont construit l’idée qu’un phénomène aléatoire est reproductible statistiquement. La mobilisation d’explications probabilistes de la part des élèves nous semble donc envisageable.

3.2. Analyse macroscopique

37La macrostructure du débat scientifique de la classe montre que le débat au sein de la classe a fait émerger trois questions : Quelle est la succession des évènements cellulaires au cours du développement ? Qu’est-ce qui détermine la différenciation cellulaire ? Comment les cellules se positionnent ? La macrostructure du débat indique ces questions traitées au cours du débat (Q), les réponses à ces questions qui ont été envisagées par les élèves (R) et les objections formulées (O). Nous présentons cette macrostructure sous forme de trois schémas correspondant aux trois questions soulevés lors du débat (figure 3a, 3b et 3c). Ceux-ci ne reflètent aucunement la chronologie du débat. Sont également indiquées dans chaque cas les premières lettres du prénom de l’élève et le numéro de l’intervention.

Figure 3a. Question 1 - macrostructure du débat sur la problématisation du concept de développement en première S

Figure 3a. Question 1 - macrostructure du débat sur la problématisation du concept de développement en première S

Figure 3b. Question 2 - Macrostructure du débat sur la problématisation du concept de développement en première S

Figure 3b. Question 2 - Macrostructure du débat sur la problématisation du concept de développement en première S

Figure 3c. Question 3 - Macrostructure du débat sur la problématisation du concept de développement en première S

Figure 3c. Question 3 - Macrostructure du débat sur la problématisation du concept de développement en première S

38Deux épisodes de ce débat ont été repérés et leur structure argumentative détaillée. L’épisode 1 (figure 4) correspond à un moment du débat où les élèves traitent de la question de la chronologie des évènements cellulaires du développement. L’épisode 2 (figure 5) traite de la question de l’origine des différenciations cellulaires. Une analyse épistémique plus fine de l’épisode 2 a été menée et va nous permettre, dans un second temps, de préciser les modèles mobilisés par les élèves et les problématisations à l’œuvre. L’épisode 1 est au tout début du débat et précède l’épisode 2.

39Le débat commence par la prise en charge par les élèves de la question chronologique des évènements cellulaires du développement. Trois thèses sont proposées simultanément par deux élèves (BaM : 1 et 4 ; SE : 3). Dans la thèse 1, le positionnement des cellules précède leur spécialisation ; dans la thèse 2, la spécialisation des cellules détermine leur emplacement : une fois spécialisées elles migrent puis se regroupent ; dans la thèse 3, la spécialisation et la disposition des cellules se réalisent simultanément. La structure argumentative de la discussion qui va suivre est présentée dans l’épisode 1 (figure 4). Dans ces trois thèses les élèves prennent en charge la question de la nature des organes à travers les différenciations cellulaires et du positionnement des organes à travers le positionnement des cellules, par une entrée particulière : celle de la chronologie de ces évènements. Il ne s’agit pas d’expliquer comment les différenciations se réalisent ni comment un positionnement peut avoir lieu, mais de se mettre d’accord sur l’ordre dans lequel cela se réalise, comme pour reconstituer une histoire. Les lycéens ont recours à « la mise en histoire » pour formuler leurs explications (Orange & Ravachol, 2003). La forme du récit est très présente dans la pensée commune car « c’est le médium que nous préférons, pour le meilleur et pour le pire » (Bruner, 2002, p. 78). Cela permet ici aux élèves de s’engager dans le débat. Ce recours à la mise en histoire constitue sans doute un obstacle important pour l’élaboration d’explications scientifiques par les élèves (Orange & Ravachol, 2003) et notamment ici pour penser le problème du développement dans ses aspects spatio-temporels.

Figure 4. Structure argumentaire de l’épisode 1 du débat sur la problématisation du concept de développement en première S

Figure 4. Structure argumentaire de l’épisode 1 du débat sur la problématisation du concept de développement en première S

4. Modèles explicatifs et problématisation des élèves

4.1. Mise en jeu du préformisme moléculaire

40Deux modèles explicatifs vont s’accorder avec la thèse 2. Celui d’un programme génétique de développement inscrit dans les gènes et celui d’un programme de développement présent dans le milieu extracellulaire et porté par une « entité » décisionnelle, organisatrice et instructive. Voici le texte initial de Maxime :

« On peut supposer que dans le code génétique il y a un ordre de création, c’est-à-dire qu’au début on ferait les cellules du foie ensuite les cellules nerveuses etc… Pour le problème de placement, on peut supposer que le code génétique serve aussi de plan de création, c’est-à-dire que le code génétique serve à placer les cellules. »

41Maxime intervient en 50 dans le débat :

« Par exemple y’aurait d’abord les cellules du muscle… et donc que après que y’aurait le plan de création du code génétique qui placerait les cellules. »

42Maxime imagine un développement étape par étape selon un « ordre de création », de façon linéaire : « c’est-à-dire qu’au début… ensuite… etc… ». Il décrit les actions nécessaires sous la forme d’un récit. Il s’agit de constituer les stocks nécessaires de cellules différenciées (CM) étape par étape puis de les assembler en respectant le positionnement (CM) nécessaire pour reconstituer le plan d’organisation de l’organisme (CE). Cela relève d’une conception d’un organisme machine qui fait obstacle à une problématisation du développement.

43Le « code génétique » correspond ici à l’idée d’un programme génétique de développement prédéterminé. Les actions successives contenues dans le plan de création prédéterminé sont implicitement associées à l’intervention d’un gestionnaire : « on ferait des cellules » qui n’est autre que le programme génétique lui-même : « y’aurait le plan de création du code génétique qui placerait les cellules ».

44Nous pensons que l’idée d’un programme de développement qui serait préexistant, linéaire, non contingent, en référence à un registre explicatif de préformisme moléculaire, constitue un obstacle fondamentale (Lhoste, 2008, p. 407), c’est-à-dire qu’il relève d’une impossibilité pour l’élève d’entrer dans une problématisation du développement autre que celle très réductrice d’un préformisme moléculaire qui conforte les représentations du prédéterminisme génétique. Une fois supposé son modèle, rien n’est interrogé puisque celui-ci a réponse à tous. C’est bien une des caractéristiques de l’obstacle épistémologique que de faire résistance à l’élaboration de la pensée critique. La programmation est transcendante en cela qu’elle explique tout ou plutôt qu’elle ne nécessite plus d’explications puisque le tout préexiste. Il n’y a pas ou plus de problème. Atlan souligne d’ailleurs, du côté des chercheurs, que cette métaphore du programme génétique a empêché l’embryologie de progresser dans la construction de savoirs savants sur le développement. L’idée de programme dans la problématisation des processus de développement fait obstacle. L’historicité du développement est réduite à un seul chemin : celui qui est programmé. Cet obstacle fondamental maintient le sujet dans le champ de l’assertorique. Il ne permet pas de construire des raisons, d’accéder à des savoirs problématisés qui portent sur le concept de développement.

45Ce modèle explicatif d’un programme génétique inscrit dans les gènes est repris à plusieurs reprises dans le débat par des élèves qui intègrent au modèle les enzymes produits de l’expression génétique, comme vecteurs de l’information. En 70, Baptiste H. dit :

« Moi, mon idée c’était un peu la même que Maxime, le fait que les cellules créent plein d’enzymes, et qu’il y ait des enzymes qui portent chacune une information différente …. »

46et en 54, Marina :

« ah ouais ! moi j’suis d’accord avec Maxime en fait ! ça se trouve l’ADN, ouais y’a un ordre et au début y’aurait un grand ribosome qui ferait plein d’enzyme tout le long de l’ADN et qu’après comme ça elles pourraient se spécialiser, j’sais pas ! »

47Ces élèves proposent un modèle instructif : la différenciation des cellules et le positionnement de celles-ci sont inscrits sous forme informative dans le programme génétique, d’où la nécessité de distribuer ou de diffuser ces informations à l’ensemble des cellules (CM). Des élèves problématisent donc le problème de la stabilité du développement dans un registre explicatif préformiste, où la conception de l’organisme est celle d’un organisme machine, et où la métaphore du programme génétique est ici mobilisée dans le cadre d’un prédéterminisme génétique. Nous proposons, figure 5, un espace de contraintes de cette problématisation du développement.

4.2. Mise en jeu du préformisme épigénétique

48Certains élèves sont dans un registre explicatif où le milieu joue un rôle déterminant dans le devenir des cellules et le développement de l’organisme. Leur modèle propose que les cellules soient « guidées » par des enzymes ou autres entités du milieu extracellulaire lors de leur migration et qu’ensuite elles se différencient.

49Le texte initial élaboré par Marina, Chloé, Camille est le suivant :

« Le milieu dans lequel baignent les cellules peut-être un facteur de déplacement des cellules afin de les faire migrer. »

Figure 5. Espace de contraintes de la problématisation par des élèves du problème de la stabilité du développement dans le registre préformisme moléculaire

Figure 5. Espace de contraintes de la problématisation par des élèves du problème de la stabilité du développement dans le registre préformisme moléculaire

50et Marina explique en 21 dans le débat :

« y’a peut-être des enzymes ou des choses qui font que, qui guideraient un peu les cellules dans un endroit précis et après selon le lieu où elles auraient été guidées elles se spécialiseraient. »

51Le plan d’organisation de l’organisme en développement est donné a priori et définit les « endroits précis » des positions que doivent prendre les cellules pour ensuite se différencier et faire correspondre la nature et la localisation des organes en développement avec le plan d’organisation préexistant. Les élèves prennent en compte une contrainte du registre empirique qui est celle de la stabilité du développement (CE) et la mettent en relation avec la nécessité de positionnement précis et prédéterminé des cellules différenciées (CT). Les élèves recherchent le support matériel d’un « guide », détenteur du programme de développement. Leurs modèles explicatifs vont recourir à une « entité » décisionnelle, organisatrice, détentrice du programme de développement.

52Seans Emilia en 41 :

« on était parti de l’idée qu’y avait un chef qui désignait »

53Marina en 42 :

« C’est peut-être la cellule œuf de départ quand après elle a fait les cellules filles tu vois et puis qui deviendrait un peu le chef et qui guiderait les autres »

54Chloé en 64 :

« Ça pourrait être une sorte de ribosome, j’sais pas un gros machin. Dans les cellules de la mère ce qu’il doit faire lui, c’est spécialiser des cellules en cellule du foie, donc lui en en croisant une cellule il réagirait avec et ça formerait une cellule spécialisée pour le foie ».

55Chloé lui donne pour origine les cellules de la mère en 68 :

« et du coup cette chose là elle viendrait pas des cellules, enfin des cellules de la cellule œuf mais des cellules de la mère »

56indiquant donc que le support physico-chimique détenteur du programme de développement est transmis par la mère et était présent dans la mère. Ce n’est pas sans rappeler les conceptions préformistes ovistes pour lesquelles le germe était placé dans la semence femelle (Jacob, 1970, p. 79).

57Il y a bien, dans ces modèles explicatifs d’élèves, l’idée d’un centralisme du programme génétique qui fait obstacle pour penser le développement. Une entité unique détient le programme de développement et distribue l’information instructive aux cellules. Le modèle instructif est plus clairement explicité par Baptiste H en 98 :

« c’est les enzymes qui savent où elles doivent aller et donc aller donner une fonction aux cellules qui sont à un endroit, enfin qui sont dans l’endroit où les enzymes doivent aller ».

58La nécessité d’une induction de la différenciation des cellules (CM) est ici également présente. Les enzymes donnent leurs fonctions aux cellules. C’est une population d’enzymes qui distribue l’information de position et induit la nature des différenciations.

59Ici, le prédéterminisme n’est pas intrinsèque aux cellules de l’organisme en développement comme dans le modèle d’un programme génétique présent dans l’ADN de chaque cellule, mais détenu par un élément présent dans le milieu, véritable « guide intérieur ». Le rôle déterminant joué par le milieu nous amène à caractériser le registre explicatif de ces élèves comme relevant d’un préformisme épigénétique, bien que l’idée d’une potentialité de variations multiples des étapes du développement n’y soit pas présente. Nous proposons, figure 6, un nouvel espace de contraintes.

60Nous allons montrer comment le débat scientifique va permettre la construction de nouvelles nécessités venant contraindre les premiers modèles explicatifs proposés.

4.3. Pointage des contradictions et basculement

61Les élèves pointent des contradictions lors d’objections aux différents modèles proposés lors du débat. Deux contradictions sont ainsi développées par les élèves au cours de l’épisode 2 (voir la totalité de l’épisode 2 en annexe 2). L’analyse de cet épisode permet de montrer comment au cours du débat l’homogénéité initiale des cellules va venir contraindre le champ des possibles des modèles proposés par les élèves et se construire comme contrainte empirique.

Figure 6. Espace de contraintes de problématisations du développement ans des registres explicatifs préformistes

Figure 6. Espace de contraintes de problématisations du développement ans des registres explicatifs préformistes

4.3.1. Contradiction soulevée en relation avec des nécessités construites

62La discussion d’un modèle instructif a permis de construire les nécessités d’un milieu hétérogène et d’une induction des différenciations cellulaires. La figure 7 présente les objections alors formulées au début de l’épisode 2.

Figure 7. Structure du début de l’épisode 2 du débat scientifique sur la problématisation du concept de développement embryonnaire en première S

Figure 7. Structure du début de l’épisode 2 du débat scientifique sur la problématisation du concept de développement embryonnaire en première S

63Une contradiction du modèle instructif est soulevée par des objections de Chloé (28).

Chloé : mais moi je suis pas du tout d’accord avec eux parce que : elle dit qu’y a plusieurs enzymes, une enzyme qui dirait, j’sais pas, elle elle va en haut, elle elle va en bas, elle elle va à droite, elle elle va à gauche, donc y’auraient plein d’enzymes pour différents lieux, à chaque fois qu’il y aurait un autre lieu y’aurait une différence d’enzyme. Mais on a vu que toutes les cellules elles étaient identiques mais on a aussi vu dans d’autres cours d’avant qu’une enzyme était spécifique à un substrat. Donc les substrats vu qu’y a aussi une histoire de forme et qu’ils ont aussi une forme spécifique or les cellules sont toutes identiques, donc y’a un problème.

64Pour Chloé, les différenciations cellulaires ne peuvent être induites spécifiquement par des éléments informatifs du milieu : les cellules étant identiques, elles sont potentiellement toutes capables de réagir avec ces éléments. Il ne peut y avoir de spécificité de réaction cellulaire pour un signal (enzyme) informatif plus qu’un autre, puisque toutes les cellules sont identiques. Par ailleurs dans cette intervention :

« Donc y’aurait plein d’enzymes pour différents lieux, à chaque fois qu’il y aurait un autre lieu y’aurait une différence d’enzymes »

65Chloé montre que pour que le modèle instructif fonctionne tout en tenant compte de la contrainte empirique de l’homogénéité initiale des cellules, il est nécessaire que le milieu soit hétérogène : qu’il y ait « des différences d’enzymes » suivant la localisation. Or cette nécessité qu’elle construit et exprime ici ne lui semble pouvoir être tenue : « mais moi je suis pas du tout d’accord avec eux ». Nous pensons que Chloé estime qu’il n’est pas envisageable d’imaginer une exhaustivité d’informations de position correspondant à autant d’enzymes différentes nécessaires à la réalisation du plan d’organisation au cours du développement. La contrainte empirique d’une mise en place des organes selon un plan d’organisation ne peut être tenue dans un tel modèle.

4.3.2. Contradiction soulevée en relation avec le prédéterminisme

66Dans le passage ci-dessous, l’homogénéité initiale des cellules, élément du registre empirique, est convoquée par les élèves. À travers leurs propositions, ils réinterrogent alors et remettent en cause les modèles prédéterministes qui avaient été proposés précédemment et étaient censés expliquer le devenir de chaque cellule (figure 8).

Figure 8. Suite de l’épisode 2 du débat scientifique sur la problématisation du concept de développement en première S

Figure 8. Suite de l’épisode 2 du débat scientifique sur la problématisation du concept de développement en première S

67Sabrine (40) :

« Parce que au début elles ont le même matériel génétique et puis on s’est dit pourquoi elles ? »

68et Chloé (46)

« mais pourquoi cette cellule là elle se spécialiserait elle en celle-la et l’autre en celle-la ? Ça colle pas. »

69Et en (48) :

« on a parlé de la spécialisation avant la migration, mais pourquoi on spécialiserait tel cellule en telle chose et telle cellule en tel chose, en sachant que les cellules elles sont toutes identiques à la base !

70Ces contradictions, ces incompatibilités pointées, sont mis en relation avec le problème de l’origine du processus de différenciation, le point de départ par Seans Emilia en 41 :

« ben ouais on était parti de l’idée qu’y avait un chef qui désignait, mais bon après qui désigne le chef ? Qui désigne les autres donc ça revient…c’est un cercle un peu vicieux. »

71C’est la contradiction même du modèle d’un programme de développement génétique prédéterminé qui est pointée ici par les élèves.

72Ce début de l’épisode 2 correspond donc à un moment où les élèves posent le problème (Fabre, 1999 ; Beorchia, 2004). En effet, ils pointent des contradictions, des incompatibilités entre les modèles proposés et ce qui pose problème à savoir l’origine des différenciations cellulaires. La construction ici d’une nécessité et le pointage des contradictions sur les modèles proposés viennent contraindre le champ des possibles. Les modèles déterministes et instructifs, qu’ils avaient eux-mêmes élaborés, semblent plus pouvoir tenir. Ceci va permettre aux élèves, dans la suite du débat, de basculer vers l’élaboration d’autres possibles articulés à un nouveau registre explicatif mobilisant des concepts darwiniens.

4.4. Modèles explicatifs probabilistes darwiniens

73Dans l’épisode 2 du débat, l’activité argumentative des élèves va permettre un basculement du processus de problématisation dans un registre probabiliste darwinien. Les élèves vont développer un modèle explicatif d’une différenciation au hasard des cellules et d’une coordination cellulaire (figure 9).

Figure 9. Suite de l’épisode 2 du débat scientifique sur la problématisation du concept de développement en première S

Figure 9. Suite de l’épisode 2 du débat scientifique sur la problématisation du concept de développement en première S

74Seans Emilia (41) envisage la différenciation des cellules comme un phénomène aléatoire :

« Après on s’était dit que c’était peut-être le hasard qui faisait que telle cellule se spécialisait, que par exemple y’aurait peut-être dans la mure y’aurait une cellule fait ci une cellule fait ça et après elles se reproduisent toutes ensembles »

75Chloé propose un processus aléatoire dans son modèle pour intégrer la contrainte empirique de l’homogénéité initiale des cellules. En 57, elle dit :

« Le ribosome il croiserait des cellules et c’est celles-ci qui seraient en foie et après y’aurait d’autres ribosomes qui en en croiserait d’autres, c’est toujours les mêmes mais il les transformerait en autre chose : cellules du muscle. Là on peut peut-être parler de probabilité. »

76La rencontre au hasard des cellules avec le ribosome présent dans le milieu engendre des différenciations cellulaires. Ici, le ribosome joue le rôle de molécule informative instructive, mais semble avoir perdu son statut de « guides intérieurs ». Le processus n’est plus prédéterminé, puisqu’il y a rencontre au hasard formulée de la manière suivante : on peut « parler de probabilité ».

77L’idée d’un processus aléatoire est également présente dans l’intervention de Baptiste :

70 – Baptiste

Moi, mon idée c’était un peu la même que Maxime, le fait que les cellules créent plein d’enzymes, et qu’il y ait des enzymes qui portent chacune une information différente, donc qui sont lâchées, non pas dans la nature mais dans le milieu des cellules, et que chaque cellule peut recevoir une enzyme, enfin elle peut recevoir n’importe quelle enzyme mais ne peut en recevoir qu’une seule, il reçoit sa tâche à faire et ensuite quand elle aura sa tâche à faire ouais quand elle se sera spécialisée et ben elle migrera, avec d’autres cellules pour se regrouper dans un milieu favorable

71 – Prof

Comment t’expliques cela puisqu’elles sont toutes identiques au départ ? Comment une cellule pourrait-elle être plus réceptrice à une enzyme qu’à une autre ?

72 – Baptiste H

Non, non, elles sont toutes réceptrices également à toutes les enzymes, sauf qu’elles vont recevoir une enzyme, c’est un peu du tac au tac

78Puisque les cellules sont initialement homogènes, elles ont donc toutes les mêmes capacités à recevoir toutes les enzymes émises (CE), de même qu’elles produisent toutes des enzymes diverses (CE). Les enzymes sont, dans son modèle, des molécules informatives qui instruisent les cellules les ayant réceptionnées de la nature de leur différenciation. Celle-ci se réalise « du tac au tac » : c’est-à-dire de manière aléatoire. La rencontre au hasard des cellules avec des enzymes présentes dans le milieu engendre des différenciations cellulaires.

79Mais comment peut-on expliquer la stabilité du développement dans une telle perspective ? La mise en tension de la nouvelle contrainte théorique proposée par les élèves la différenciation aléatoire des cellules (CT) avec une contrainte empirique (CE) – la stabilité du développement permet l’apparition de nouvelles nécessités sur le modèle.

80Dans les explications de Baptiste H., l’idée de sélection au sein de la population cellulaire apparaît (87) :

« Elles fabriquent des enzymes différentes, mais toutes, y’a pas une cellule qui fabrique une enzyme, elles ont toutes le récepteur pour recevoir toutes les enzymes, sauf que dès que elle aura reçu une enzyme, les autres vont se supprimer et elle aura sa fonction et elle partira dans un lieu propice pour servir… ».

81Les cellules en interactions aléatoires avec les molécules instructives du milieu vont se différencier, alors que certaines vont continuer leur devenir d’autres « vont se supprimer », ou bien une autre interprétation de sa phrase est possible : ce sont les autres enzymes qui vont se supprimer. Il y a émergence de l’idée de sélection. Le modèle de différenciations aléatoires de Baptiste intègre une nouvelle contrainte, la nécessité d’une sélection de certaines différenciations cellulaires au détriment d’autres (CM).

82Dans l’intervention 41 de Seans Emilia (citée plus haut), le mot « ensemble » nous laisse penser que des interactions cellulaires, voir une coordination entre cellules, sont nécessaires pour la réalisation du développement. Ici, la simultanéité des processus décrits n’est pas envisagée. Une idée de régulation cellulaire par interactions entre cellules sera amenée par Baptiste M. en 111 :

« peut-être que ça s’arrête de se développer quand quelques cellules se régulent d’elles-mêmes. »

83S’ajoute à cela l’idée d’une stabilisation du développement (nature et localisation des différenciations) par autorégulation des cellules ou bien par régulation interactive entre cellules selon l’interprétation que l’on fait de la phrase de Baptiste. La stabilité du développement est réinterprétée ici par Baptiste comme résultat de la stabilisation des divers évènements cellulaires aléatoires.

84À la fin de cet épisode, une élève reformule d’elle-même une idée nouvelle et émergente de ce nouveau registre. Sa (106) : « peut-être que le lieu il est pas défini au début », c’est-à-dire que le positionnement des cellules lors du développement embryonnaire n’est pas prédéterminé.

85Nous proposons, figure 10, un espace de contraintes de la problématisation du développement qui s’est réalisée au cours de l’activité argumentative de l’épisode 2 du débat. Nous qualifions le registre explicatif de probabiliste darwinien.

4.5. Discussion

86La rupture nécessaire pour passer du registre du préformisme moléculaire à un registre évolutionniste ne peut se faire que si une place au hasard c’est-à-dire au caractère aléatoire des différenciations cellulaires est possible. La contrainte théorique d’une différenciation aléatoire construite ici par les élèves, à partir d’argumentations portant sur la contradiction du modèle instructif des différenciations cellulaires, a permis de voir émerger la nécessité d’une sélection cellulaire.

Figure 10. Espace de contrainte en jeu d’une problématisation du développement dans un registre explicatif probabiliste darwinien

Figure 10. Espace de contrainte en jeu d’une problématisation du développement dans un registre explicatif probabiliste darwinien

87En effet, certains élèves ont développé l’idée que la stabilisation d’une population cellulaire nécessite que certaines cellules « se suppriment ». La construction de la nécessité d’une sélection est d’autant plus difficile qu’elle se heurte à l’idée que rien ne se perd dans le vivant (Rumelhard, 1995, p. 333-345). Dans les processus de problématisation en œuvre dans la séance analysée, la construction par les élèves de la contrainte théorique d’une différenciation aléatoire des cellules a été très importante car elle a permis dans ce débat de construire de nouvelles nécessités dans un registre explicatif nouveau par rapport aux modèles explicatifs initiaux. En convoquant le hasard, cette contrainte théorique travaille « contre » l’obstacle du préformisme. Dans le processus de problématisation, elle a fonctionné comme un levier pour permettre la construction de raisons dans un autre registre explicatif que ceux qui étaient mobilisés précédemment par les élèves au cours de ce débat.

Conclusion

88Nous avons montré par cette étude la pertinence d’un travail de problématisation pour permettre aux élèves de faire évoluer leurs modèles préformistes et déterministes. Par l’élaboration d’une argumentation critique et la construction de contraintes et de nécessités sur les modèles, les élèves ont pu élaborer des possibles dans différents registres explicatifs : préformisme moléculaire, préformisme épigénétique et probabiliste darwinien. Le dispositif didactique proposé a permis un travail sur l’obstacle du déterminisme génétique.

89Lorsque les élèves mobilisent des causes épigénétiques, ils n’abandonnent pas pour autant des explications préformistes. Le centralisme attribué au programme de développement est un obstacle toujours présent dans ce registre explicatif et les élèves mobilisent alors dans leurs explications un modèle instructif des différenciations cellulaires où le concept d’information inductive est mobilisé. Dans la séance sur laquelle notre travail s’appuie, les élèves n’envisagent pas, dans leurs conceptions, des voies développementales multiples possibles. Ils n’envisagent pas le développement comme un phénomène dont l’histoire est contingente. Cependant, la construction d’explications épigénétiques du développement permettrait de travailler l’idée de l’existence d’une variabilité des voies du développement, comme le montre notre analyse épistémologique. Les élèves qui raisonnent au cours du débat dans un registre épigénétique sont ceux qui sont à l’origine de la construction de raisons dans un registre darwinien. Nous pensons que faire problématiser les élèves dans un registre épigénétique est une condition de possibilité pour faire passer les élèves dans un registre explicatif probabiliste darwinien. Cependant, l’épigénétique n’est que très partiellement introduite dans les programmes officiels et les manuels scolaires en France (Abrougui & Clément, 1996, 1997 ; Abrougui, 1997 ; Clément & Forissier, 2001 ; Forissier & Clément, 2003 ; Castéra et al., 2008).

90Notre analyse ne s’est pas portée sur les interventions de l’enseignante pendant le débat. Quels rôles jouent-elles dans le processus de problématisation par les élèves ? Cette analyse est indispensable pour comprendre et discuter du rôle joué par l’enseignant dans ce dispositif didactique. Cela constitue une limite à notre travail.

91Par ailleurs, notre recherche porte uniquement sur un débat de début de séquence. Il serait intéressant de regarder ce qui a été fixé au sein de la classe après un tel travail. Comment les élèves conceptualisent le développement embryonnaire au cours de la séquence et comment l’enseignant pilote le projet d’enseignement.

92Alors qu’actuellement de nouveaux paradigmes en biologie mobilisent des concepts darwiniens et des explications probabilistes aux échelles cellulaires et moléculaires, les programmes officiels dont les contenus portent sur le développement embryonnaire s’ancrent toujours dans un préformisme moléculaire. Comment les enseignants gèrent-ils cette tension ? Il y a un véritable défi à travailler avec les élèves et les étudiants sur le paradoxe apparent entre phénomènes aléatoires à l’échelle moléculaire et cellulaire et stabilité des structures et des plans d’organisation au cours du développement. Le processus de problématisation permet de s’y engager et travaille ainsi avec et contre l’obstacle du déterminisme génétique.

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Notes

1 Celle-ci est notamment véhiculée par les manuels scolaires au travers des textes et des images en relation avec la génétique humaine (Agorram et al., 2009).

2 La reproductibilité du plan d’organisation de l’espèce propre à l’individu au cours du développement et la grande fiabilité de ce processus biologique lui confère sa stabilité.

3 La redondance des gènes signifie la répétition dans le génome d’un même gène à plusieurs endroits.

4 Séquences d’ADN qui ne codent pas pour des protéines et qui s’intercalent entre les gènes.

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Table des illustrations

Titre Figure 1 : Espace de contrainte de la problématisation du problème de la stabilité du développement dans un registre probabiliste évolutionniste
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Titre Figure 2 : Espace de contrainte de la problématisation du problème de la formation des tissus comme populations de cellules maintenues dans un état différencié commun
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Titre Figure 3a. Question 1 - macrostructure du débat sur la problématisation du concept de développement en première S
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Titre Figure 3b. Question 2 - Macrostructure du débat sur la problématisation du concept de développement en première S
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Titre Figure 3c. Question 3 - Macrostructure du débat sur la problématisation du concept de développement en première S
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Titre Figure 4. Structure argumentaire de l’épisode 1 du débat sur la problématisation du concept de développement en première S
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Titre Figure 5. Espace de contraintes de la problématisation par des élèves du problème de la stabilité du développement dans le registre préformisme moléculaire
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Titre Figure 6. Espace de contraintes de problématisations du développement ans des registres explicatifs préformistes
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Titre Figure 7. Structure du début de l’épisode 2 du débat scientifique sur la problématisation du concept de développement embryonnaire en première S
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Titre Figure 8. Suite de l’épisode 2 du débat scientifique sur la problématisation du concept de développement en première S
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Titre Figure 9. Suite de l’épisode 2 du débat scientifique sur la problématisation du concept de développement en première S
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Titre Figure 10. Espace de contrainte en jeu d’une problématisation du développement dans un registre explicatif probabiliste darwinien
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Pour citer cet article

Référence papier

Julie Gobert, « Métaphore du programme génétique et problématisations de la différenciation cellulaire au cours du développement embryonnaire par des élèves de première scientifique »RDST, 1 | 2010, 121-152.

Référence électronique

Julie Gobert, « Métaphore du programme génétique et problématisations de la différenciation cellulaire au cours du développement embryonnaire par des élèves de première scientifique »RDST [En ligne], 1 | 2010, mis en ligne le 15 septembre 2012, consulté le 03 décembre 2021. URL : http://journals.openedition.org/rdst/183 ; DOI : https://doi.org/10.4000/rdst.183

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Auteur

Julie Gobert

julie.gobert@caen.iufm.fr
Université de Caen-Basse-Normandie, école interne IUFM de Basse-Normandie, Centre d’études et de recherches en sciences de l’éducation (CERSE, EA 965)

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