MODÉLISATION DE RÉSEAUX TROPHIQUES
ET ÉLABORATION DE CONCEPTS
Christiane ESPÉRET
IUFM / Université de la Réunion
MOTS-CLÉS : MODÉLISATION - RÉSEAU TROPHIQUE - RÉFÉRENT EMPIRIQUE – MODÈLES - CONCEPTS
RÉSUMÉ : Lors de la modélisation des relations alimentaires dans deux écosystèmes, la Tamarinaie et le Lagon, les opérations de construction du référent empirique, d’élaboration du modèle et les situations de fonctionnement concourent par leur diversité de formulation, de structuration et de mise en œuvre à l’élaboration des concepts de réseau trophique, producteurs primaires et consommateurs de différents ordres.
SUMMARY : When modeling food relations in two ecosystems, Tamarinaie and Lagon, the construction of empirical reference and pattern, and the functionning situations converge, by their formulation and structuration diversity, to elaborate concepts of trophic web, primary producers and consumers of organic matter.
1. INTRODUCTION
L’explication et la compréhension des objets et phénomènes de la nature, tels que les relations trophiques dans un écosystème, pose le problème des rapports entre le concret et l’abstrait, des processus mis en œuvre dans l’apprentissage pour établir des relations entre le monde réel et un niveau théorique, celui des concepts. Nous recherchons, à travers deux exemples de modélisation des relations alimentaires d’écosystèmes par des élèves de seconde, comment les différentes opérations effectuées, le niveau théorique des modèles élaborés et leur fonctionnement, permettent de construire les concepts de réseau trophique, producteurs primaires et consommateurs.
2. MODÉLISATION DES RÉSEAUX TROPHIQUES « LAGON » ET « TAMARINAIE »
2.1 Constitution du corpus
Cette modélisation a été réalisée en deux temps :
- élaboration du réseau trophique de la Tamarinaie, dénomination des producteurs et consommateurs de divers ordres dans une chaîne alimentaire et comparativement dans le réseau à partir d’un document écrit ;
- l’« Étude d’un écosystème, le lagon de la Réunion » a un objectif plus large avec l’approche de la biologie du corail, le rôle de la barrière récifale, le réseau trophique, l’intervention de l’homme et les catastrophes naturelles. Le support est un logiciel comprenant des photos, des schémas, des informations, des questions. La production demandée, rédigée en dehors des séances, est un compte rendu guidé par un questionnaire.
La première séance a été précédée d’un test pour recueillir les représentations sur la chaîne alimentaire, le réseau alimentaire et son schéma. Le corpus sur lequel porte notre analyse est constitué du test, des brouillons du réseau trophique de la Tamarinaie, et, pour l’étude du lagon, des brouillons et des comptes rendus de 34 élèves.
2.2 La constitution des référents empiriques « Tamarinaie » et «lagon »
Premiers éléments du référent empirique, les acquis déterminés à partir des tests : la chaîne alimentaire est pensée en terme de relations entre individus, par la moitié des élèves et pour le réseau alimentaire, les termes utilisés dans les réponses - définitions sont pour la plupart les mêmes que pour les chaînes alimentaires. Seuls 5 élèves font un schéma de réseau très simple. Ce qui est au-delà de la chaîne alimentaire, la complexification des relations, n’est pas maîtrisé, les termes écologiques et donc les concepts non plus.
L’écosystème est défini dans l’introduction du premier travail et le problème est de reconstituer l’ensemble des relations trophiques dans la Tamarinaie. La lecture linéaire du texte est suivie d’une opération de sélection d’informations pertinentes, les être vivants, qui sont en même temps différenciés par leur classement en deux tableaux, autotrophes / hétérotrophes et mangés / mangeurs. Les concepts
autotrophes / hétérotrophes sont des contraintes fortes car ils posent problème aux élèves qui doivent effectuer un travail d’appropriation des critères, avec leur cours. Pour le second tableau, bon nombre d’élèves restent dans la catégorisation simple et ne placent pas le mangé en face de son mangeur. Une contrainte de mise en relation est ajoutée en cours de réalisation. Le résultat est une organisation relationnelle par paires des êtres vivants de la Tamarinaie.
Avec le logiciel du lagon, la lecture est séquentielle, l’information, éclatée, dispersée dans les différents fichiers du logiciel est, après sélection dirigée par des questions, rassemblée dans un but explicatif plus large que les relations trophiques. Les opérations suivantes sont une différenciation en producteurs primaires et consommateurs, puis en mangés / mangeurs. La mobilisation de concepts construits avec le premier modèle, permet aux élèves d’anticiper le réseau trophique du lagon et sa symbolisation et dans ce cas, la construction du référent empirique participe également des tâches de l’élaboration du modèle : c’est le début d’une interaction entre un niveau abstrait, celui du modèle et un niveau concret, celui du monde réel, ou plus exactement de son logiciel descriptif.
La constitution du référent empirique est affaire de contraintes : contraintes intellectuelles de sélection, de différenciation par classement, de mise en relation, de temps, dans le cas d’activités scolaires, et résulte d’une interaction des opérations intellectuelles et matérielles à deux niveaux :
- les tâches imposées qui, en même temps qu’elles dirigent la saisie, structurent les informations. - l’enjeu de la sélection, qui par la mobilisation des acquis et par l’anticipation qu’il suscite, conduit
à une activité imaginative d’utilisation des informations (enjeu connu pour le lagon).
2.3 L’élaboration des modèles
Dans le cas de la Tamarinaie, une consigne dirige l’élaboration du modèle : « Mettre tous les éléments du tableau en vrac sur une demi-page et les relier par une flèche qui va du mangé au mangeur. » « du mangé —> au mangeur », est écrit au tableau, puis effacé peu après.
L’opération est une déstructuration accompagnée d’une nouvelle synthèse dans laquelle l’organisation relationnelle est symbolisée par un code, la flèche. Ceci ne suffit pas aux élèves pour anticiper, imaginer, et réaliser une nouvelle structuration des relations alimentaires entre les organismes : une ébauche ou germe de modèle leur est nécessaire, forme schématique simple qui doit être adaptée pour réussir la tâche :
Germe de modèle proposé par l’enseignante
Pour le lagon, le modèle d’un réseau trophique est connu, ainsi que les éléments de sa théorisation, producteurs primaires, consommateurs d’ordre différents et le code de symbolisation des relations alimentaires : il s’agit d’un transfert de modèle à un nouvel écosystème.
L’élaboration du modèle est dans ces exemples de réorganisation des données, impliquant déstructuration, symbolisation de relations, synthèse sous forme de condensation des relations qui de binaires deviennent multiples.
Dans les deux écosystèmes étudiés, les modèles sont descriptifs, leur fonction initiale est la représentation. L’échelle des éléments intégrés dans ces réseaux trophiques est très variable, les échelles de temps et de masse ont la propriété de ne pas être définies.
Modèle descriptif du réseau trophique de la Tamarinaie avec conservation d’une relation binaire.
(l’oiseau lunette est aussi appelé oiseau blanc : problème de la multiplicité des dénominations)
2.4 Niveau théorique du modèle réseau trophique d’un écosystème et mise en œuvre
Les producteurs primaires, consommateurs de 1e, 2e, 3e, 4e ... ordres sont définis sur les chaînes alimentaires, unités significatives extraites du réseau dont la complexité est ainsi réduite. Le résultat est une inflexion du sens des relations et donc du code et un changement des éléments mis en relations : ce ne sont plus des êtres vivants mangés reliés à leur mangeur, mais une circulation de matière organique, d’un producteur primaire autotrophe, à des consommateurs hétérotrophes. Ce nouveau système explicatif introduit des règles de fonctionnement : la nécessité du producteur primaire au départ de toute chaîne alimentaire, le transfert de la matière aux phytophages, consommateurs primaires puis aux zoophages, consommateurs d’ordre supérieur. Le modèle théorique construit et ses règles de fonctionnement, sont utilisés pour la validation de toutes les chaînes alimentaires du réseau trophique de la Tamarinaie. Par généralisation des éléments, et modification du sens des relations, le modèle théorique devient explicatif, il a des fonctions plus étendues que le modèle descriptif dont il est issu. Lors de la mise en œuvre de ce modèle théorique dans l’écosystème lagon, bon nombre d’élèves, 22/34 étendent le référent empirique du concept de producteur primaire aux particules organiques ou aux petits animaux situés au départ des chaînes alimentaires. La nécessité d’un producteur primaire au départ de toute chaîne alimentaire est transférée au réseau trophique du lagon par 9 élèves sur 34 seulement. Les opérations de changement de sens des relations et des éléments mis en relation sont effectuées symboliquement sur le réseau trophique du lagon par le tracé de cadres de couleurs différentes autour des organismes, ce qui ne mobilise pas la règle de fonctionnement.
La mise en œuvre des concepts de producteurs primaires et consommateurs de différents ordres associée à une condensation importante des relations augmente le nombre d’ordres des
consommateurs identifiés, le nombre d’organismes à statut variable, et la variabilité de ceux-ci : c’est ainsi que murènes ou lutjans peuvent avoir jusqu’à quatre statuts différents, de consommateur de 2e ordre à consommateur de 6e ordre.
Lutjan Cardinal Murène Poisson Scorpion *Algues Crevette et alvin * Restes repas Poisson perroquet Poisson Ange Planaire * Particules organiques * Débris alimentaires Holoturie Autres animaux Autres poissons Coraux Poisson Clown Poisson Pierre Petits poissons Poisson Chirurgien
Poissons de grande taille
Particules animales et/ou végétales de petites tailles
* Producteurs primaires
Modèle du réseau trophique du lagon
avec extension du référent empirique de producteur primaire
2.5 Le fonctionnement des modèles construits
Quelle action du modèle sur le référent empirique ? L’explication des conséquences des activités humaines reste au niveau du récif envisagé comme une unité plutôt que comme un écosystème : la prééminence très forte du corail dans cette nouvelle étude a un effet réducteur de l’écosystème lagon et limite le fonctionnement de son réseau trophique. De même, la fonction prédictive du modèle pour résoudre un problème environnemental : la prolifération d’un hôte indésirable, l’Acanthaster, a produit des solutions résultant d’applications du modèle chaîne alimentaire sur un problème isolé du reste de l’écosystème, ce qui correspond au contexte donné aux élèves pour son approche. Par contre, les conséquences d’un cyclone avec la turbidité de l’eau font fonctionner plutôt le modèle théorique du réseau trophique : « les producteurs primaires ne peuvent plus faire de photosynthèse ce qui compromet leur survie et celle de leurs prédateurs / consommateurs », ce qui est favorisé par une approche à l’échelle de l’écosystème : la production de matière et sa consommation. Le contexte des situations de fonctionnement proposées détermine le niveau des modèles qui est mobilisé. Ceci montre l’importance, pour le dépassement d’une vision ponctuelle, de l’établissement des relations, dans le
référent empirique, entre les modèles, entre les modèles et le référent, dans tous les raisonnements, ce qui correspond à une approche systémique, pour une meilleure appréhension de la complexité du réseau trophique d’un écosystème.
3. CONCLUSION
Au cours des activités de modélisation que nous avons analysées, l’élaboration des concepts de réseau trophique, producteur primaire et consommateurs de différents ordres est le résultat de plusieurs opérations de traitement de l’information : sélection, différenciation par classement, mise en relation lors de la constitution d’un référent empirique ; déstructuration, symbolisation, synthèse pour la réalisation d’un modèle graphique et théorique, qui acquiert des fonctions explicatives. Les reformulations et restructurations successives dans ces deux exemples, Tamarinaie et lagon diversifient l’approche du concept et en assurent une généralisation. En s’intégrant aux acquis de la chaîne alimentaire, les concepts ainsi construits constituent un réseau explicatif de l’écosystème.
BIBLIOGRAPHIE
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modélisation en sciences, Paris : INRP., 1994.
ORANGE C., Problèmes et modélisation en biologie - quels apprentissages pour le lycée ? Paris : Presses Universitaires de France, 1997.
RUMELHARD G., La régulation en biologie. Approche didactique : représentations,
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