En cycle 3 - Sciences
En cycle 4 - SVT

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La biodiversité du sol (suggestion d'activité)

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D’après la mallette Biodiversité / les Passerelles MNHN - AFP
Adaptation : Julien Chamboredon et Sophie Mouge (enseignants SVT, MNHN)
Relecture : Clément Schneider (CNRS)

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Ces ressources pourront être intégrées dans une démarche que construira librement chaque enseignant, et ne sont en aucun cas des marches à suivre figées.

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Plan

Contexte éducatif et objectifs
Piste de situation initiale

Manipulations possibles

Conclusion générale
Pour aller plus loin
Webographie

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Contexte éducatif et objectifs

 En cycle 3 - Sciences

Compétences travaillées

  • Pratiquer des démarches scientifiques et technologiques
  • Adopter un comportement éthique et responsable

Connaissances et compétences associées

  • Matière, mouvement, énergie, information
  • Le vivant, sa diversité et les fonctions qui le caractérisent
  • Unité, diversité des organismes vivants
  • La planète Terre. Les êtres vivants dans leur environnement
  • Répartition des êtres vivants et peuplement des milieux

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En cycle 4 - SVT

Compétences travaillées

Pratiquer des démarches scientifiques

Adopter un comportement éthique et responsable

Connaissances et compétence associées

  • La planète Terre, l’environnement et l’action humaineLe vivant et son évolution
    • L’exploitation de quelques ressources naturelles par l’être humain
    • Quelques exemples d’interactions entre les activités humaines et l’environnement, dont l’interaction être humain - biodiversité
  • Le corps humain et la santé
  • Ubiquité, diversité et évolution du monde bactérien
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Piste de situation initiale

Préalable envisageable

Questionnaire sur les représentations initiales des élèves de 6ème : « Que trouve-t-on dans le sol ? »

Exemple de dépouillement d’un questionnaire distribué à 25 élèves de 6ème d’un collège de Paris (19ème), proche du parc des Buttes Chaumont.
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Tableau 1: récapitulation d'une proposition d'analyse des réponses d'élèves .
Réponses compilées, faites par les 25 élèves de 6ème Concepts sur lesquels les représentations initiales des élèves s’appuient
Dans le sol, il y a de la terre et au milieu, le noyau, de la chaleur, du feu Le sol est la partie superficielle qui permet d’accéder aux profondeurs de la Terre.
De la terre, des cailloux, des pierres, du plâtre, de l’eau, des minéraux, des nappes souterraines, du sable Le sol ne contient que des objets inertes.
Terre, branches, racines et plantes, insectes, mousses, végétaux Le sol contient à la fois des objets inertes et vivants.
Traces humaines Le sol subit l’influence de l’homme.
Du pétrole Le sol fournit des ressources utiles à l’homme.
Ca dépend de l’endroit où on se trouve Le sol varie selon des particularités géographiques.
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On se rend compte, quelle que soit leur provenance, que les élèves n’imaginent pas que le sol renferme une riche biodiversité. Dans la plupart des réponses, l’élève donne au sol un rôle de liant et de support physique, passif, renfermant parfois des objets inertes ou vivants.

Proposition de vidéo à regarder avec les élèves afin d’amener un questionnement à propos de la biodiversité du sol :
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Flash player required



Figure 1 : Vidéo de Claude et Lydia Bourguignon : « mort des sols – mort des hommes ». (de 0’’00 à 2’’24)
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Tableau 2 : comparaison utilisable (tout ou partie) à l'issue de la vidéo
Types de sols
Caractéristiques du sol
cultivés bords de champs forêts
Couleur marron clair marron marron foncé - noir
Aspect avec des mottes granuleux texture fine
Contenu pauvre riche en racines de végétaux (« très bien tenu par les racines ») beaucoup d'humus
Aération faible (sol compact) élevée (sol bien aéré) élevée (sol bien aéré)
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Problème : Dans l’extrait vidéo, le scientifique prononce cette phrase « On [l’humain] n’a pas compris que le sol était vivant ». Qu’en pensez-vous ? Etes-vous d’accord ou pas avec Claude Bourguignon ?
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Hypothèses scientifiques

La réflexion d’élèves en cycle 3 pourrait aboutir à plusieurs hypothèses :
  • le sol abriterait des êtres vivants (animaux ou végétaux) qu’on ne voit pas car ils sont dissimulés.
  • le sol abriterait des êtres vivants (animaux ou végétaux) qu’on ne voit pas car ils sont trop petits pour être vus à l’œil nu.
  • le sol contiendrait de la matière vivante (organique) qui semble inerte, morte.
  • normal, le sol est mort !
  • ...
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Manipulations possibles

Test de la première hypothèse : le sol abriterait des êtres vivants (animaux ou végétaux) qu’on ne voit pas car ils sont dissimulés


Pistes d’activités pédagogiques réalisables lors de la sortie de terrain de début d’année :
  • Possibilité de ré-investissement du tableau introductif en répondant à cette question : si on cherche à classer la terre que vous avez sous les pieds dans l’une des trois colonnes du tableau précédent, à quel type de sol appartient-elle ?
  • L’enseignant attire l’attention des élèves sur la surface du sol : des trous, ou des rejets de terre (turricules) peuvent être observés. Ils sont des indicateurs de présence d’une vie souterraine.
Activité pratique : il est possible de faire remonter les lombriciens à la surface du sol en utilisant une solution irritante (moutarde diluée dans de l’eau) : voir protocole.

De retour en classe, à l’aide de ses doigts ou d’une pince, l’élève peut dégager la terre et faire apparaître des vers de terre, cloportes, myriapodes, escargots...
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Ver de terre
Figure 2 : Ver de terre (Taille réelle : 10 cm)
© M. Rovillé

Cloporte
Figure 3 : Cloporte (Taille réelle : 1 cm)
© S. Hättenschwiler
Myriapode
Figure 4 : Myriapode (polydesme) (Taille réelle : 3 cm)
© S. Hättenschwiler
Escargot
Figure 5 : Escargot (Taille réelle : 1.5 cm)
© G. Hommay, INRA
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Tous les organismes dégagés mesurent plus d’1 centimètre...

Et s’il y en avait d’autres, plus petits, moins visibles ? Comment pourrions-nous les mettre en évidence ?
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Test de la deuxième hypothèse : on ne voit pas les organismes vivants car ils sont trop petits pour être vus à l’œil nu

1er temps : utilisation de loupes

Matériel :
  • de la terre prélevée à 20 cm de profondeur dans le sol
  • une loupe binoculaire
  • une pince
  • une assiette blanche
  • de l’eau
Protocole :
Prélever quelques cm3 de terre, la dissocier avec une pince et l’observer sous loupe binoculaire. On peut éventuellement utiliser de l’eau pour diluer la terre et faire surnager des organismes éventuellement présents.

Au bout d’un certain temps, les élèves se rendent compte que le travail est fastidieux car il faut retourner toute la terre et dégager chaque millimètre carré.

Transition : Il faudrait trouver un moyen plus pratique de dissocier la partie vivante de la partie inerte du sol...

2nd temps : utilisation du dispositif de Berlèse
Antonio Berlese (1863-1927). Il y a un siècle, un entomologiste italien nommé Berlese, a cherché à mieux connaître la vie du sol et avait mis au point un procédé, appelé depuis « appareil de Berlèse ».
Les caractéristiques du sol sont, en général, une température plus basse et une humidité plus importante que celle de l’air.

Le principe de l’appareil de Berlèse repose sur la fuite des organismes vivants face à des conditions différentes de celles de leur milieu de vie (ici : chaleur et environnement sec).

Antonio Berlese
Figure 6 : Antonio Berlese (1863-1927)
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Matériel :
  • de la terre (l’équivalent d’une grande bouteille) prélevée dans les couches superficielles du sol étudié
  • du grillage à mailles d’environ 0.3/0.5 cm percé de quelques trous plus gros
  • une grande bouteille en plastique coupée en 2
  • une lampe de bureau
  • une loupe binoculaire
  • planche d’illustrations de certains animaux du sol
  • eau
Protocole :
  • Oter le bouchon de la partie supérieure de la demi-bouteille et disposer à l’intérieur un morceau de grillage.
  • Remplir d’un fond d’eau la partie inférieure de la demi-bouteille.
  • Verser dans le goulot renversé le contenu d'un sol en prenant garde de ne pas tasser la terre.
  • Placer une lampe au-dessus de tout le dispositif de manière à éclairer la partie superficielle du sol.
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Appareil de Berlèse Appareil de Berlèse
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  • Attendre au minimum 24 heures, puis récupérer l’éventuel contenu des fonds de bouteille dans une assiette blanche.
  • Observer à la loupe binoculaire quand cela semble nécessaire.
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Appareil de Berlèse Appareil de Berlèse
Figure 7 : Berlèses utilisés dans un laboratoire du Muséum © C. Schneider, MNHN
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Actuellement, les berlèses sont des dispositifs encore utilisés en recherche dans les laboratoires du Muséum. Le matériel utilisé est toujours le même : un entonnoir, une grille et un tube collecteur contenant de l'éthanol. Les tubes collecteurs sont petits car de plus grands seraient inutiles et compliqueraient le tri et le stockage : les scientifiques préfèrent collecter un maximum de spécimens dans un minimum d'espace. Les spécimens tombent directement dans l'éthanol, ce qui permet de les récupérer facilement, en bonne condition d'étude. Si l'on souhaite récupérer les spécimens vivants, il est possible de remplacer l'éthanol par un peu d'eau (la plupart des animaux du sol pouvant surnager quelques jours).

Les chercheurs utilisent des ampoules de 20 à 40 watts sur le terrain pour accélérer le processus de descente des spécimens (sol entièrement sec en 2 ou 3 jours). Les berlèses de terrain sont en toile, ce qui permet de les plier dans les bagages.

Mais cela fait courir le risque de tuer les espèces les plus lentes ou fragiles. Quand ils disposent de suffisamment de temps, les scientifiques laissent sécher le sol doucement en 1 à 2 semaines.
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Observations :
Après une attente plus ou moins longue, quelques organismes se trouvent dans la partie basse de la bouteille, listés ici par ordre de fréquence : acariens, collemboles, araignées, nématodes, larves d'insectes, cloportes, myriapodes, opilions, pseudo-scorpions, petits myriapodes. Les fourmis sont peu fréquentes car elles ont tendance à plutôt fuir par les côtés que par le bas.
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Acariens
Figure 8 : Acariens (dont oribate au centre) (Taille réelle : 0.5 à 1 mm) © M. Fouchard, INRA

Nématode

Figure 9 : Nématode (Taille réelle : 1 à 3 mm) © M. C. Caillaud, INRA

Fourmis
Figure 10 : Fourmis (Taille réelle : 1 cm) © A. Riou
Collembole (entomobrya)
Figure 11 : Collembole (Entomobrya) (taille réelle : 1.5 mm) © C. Schneider, MNHN
Collembole (isotoma)
Figure 12 : Collembole (Isotoma) (taille réelle : 1.5 mm) © C. Schneider, MNHN
Iule
Figure 13 : Myriapode (iule) (taille réelle : 3-5 cm)
© L. Tarnaud, MNHN
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On peut demander aux élèves des résultats sous forme de :
  • tableau avec décomptes des espèces ou grands groupes taxonomiques présents
  • des dessins d’observations
  • utilisation de photographies
  • utilisation de clé de détermination
Interprétations :
Le sol abrite des êtres vivants indétectables (car dissimulés dans le sol) et invisibles à l’œil nu. L’homme n’a donc pas pu se rendre compte tout de suite de l’incroyable biodiversité qu’il renfermait. Seule une analyse poussée le permet. Mais encore fallait-il vouloir trouver quelque chose dans le sol !

Limites expérimentales de cette manipulation :
  • une certaine quantité de terre, prélevée dans une couche superficielle du sol (jusqu'à 20 cm de profondeur), appelée litière, n’est pas représentative de tout un sol. L’enseignant est souvent obligé de passer par une phase de généralisation dans laquelle il introduit l’existence d’autres espèces pas nécessairement découvertes dans le cadre de l’expérimentation.
  • une discussion est possible avec les élèves autour du temps d’attente de l’expérimentation. En effet, si on laisse plus de temps à la migration pour se réaliser, on peut espérer collecter davantage de spécimens.
  • si on utilisait des niveaux de grossissement plus forts avec d’autres appareils optiques, l’observation des élèves pourrait alors révéler des micro-organismes non détaillés dans cette activité.
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Conclusion générale

Le sol est un milieu qui abrite des organismes vivants.
La prise en compte de la biodiversité du sol a pris du temps car sa visualisation n’est pas aisée pour l’homme. En effet, les êtres vivants vivent enfouis dans un milieu apparemment statique et auquel l’homme n’a pas directement accès. De plus, certains organismes sont invisibles pour l’œil humain et nécessitent l’utilisation de matériel optique (loupes, microscopes).
Afin de s’opposer à une idée reçue selon laquelle le sol ne serait composé que de matière inerte, la formule « sol vivant » permet de lui attribuer un rôle d’écosystème qui abrite 80% de la biomasse terrestre !
La compréhension des liens qui existent entre sa biodiversité vivante (êtres vivants animaux ou végétaux) et morte (matière organique en décomposition) permet d’attribuer au sol un rôle dynamique et vivant.
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De la nécessité d’aborder les limites expérimentales d’une manipulation

Les conclusions faites à l’expérience proposée peuvent être l'occasion d'exercer l’esprit critique des élèves, pour éviter qu'ils n'aient une vision dogmatique ou absolue des sciences expérimentales, faute de connaître les conditions réelles de leur élaboration.

Faire des sciences, c'est essayer de comprendre le monde réel par l'observation et la validation d'explications vérifiables en se dotant d’un cadre expérimental dont tous les paramètres sont connus, sans quoi la vérification reste impossible.

La réalité des phénomènes observés est, très souvent, complexe car un grand nombre de variables interagissent entre elles ; dès lors, les expériences effectuées, en limitant les facteurs variants, ne sont pas une image juste de la réalité, mais une image partielle et déformée. L'avantage est que l'on sait en quoi il est restreint et donc en quoi, inversement, il est fidèle à la réalité.

Il importe donc de toujours connaître les limites de son modèle expérimental, et de réfléchir à posteriori à celles que l'on aurait pu oublier.
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Pour aller plus loin

Les divers organismes vivants du sol (de la macrofaune à la microflore) agissent sur le sol à plusieurs niveaux :
  • ils modifient sa structure, sa teneur en eau et en air : ils transforment le sol, l’aèrent, l’oxygènent, le retournent, le creusent, l'agglomèrent...
  • ils participent à sa fertilité : ils dégradent en éléments de plus en plus fins les débris animaux et végétaux (feuilles mortes, bois, carcasses d'animaux, excréments...), les transformant en matière organique dont ils enrichissent le sol. Cette dernière fournit l'énergie et la nourriture aux organismes vivants du sol et aux végétaux. La matière organique stocke puis libère — sous l'action des micro-organismes — des éléments essentiels à la croissance des plantes (azote, phosphore, soufre, oligoéléments, eau...).
Ainsi, les espèces présentes dans le sol, de par leur diversité, jouent un rôle fondamental dans sa capacité à retenir l’eau de pluie, donc à ralentir le ruissellement, les inondations et l'érosion.

Via leur rôle sur la matière organique, les organismes vivants du sol agissent également :
  • sur la croissance des végétaux : ils favorisent ainsi le développement des cultures donc l'alimentation humaine ;
  • sur la rétention ou la dégradation des polluants du sol (pesticides, métaux lourds) ;
  • sur le stockage du carbone dans le sol. Un sol riche en matière organique est un bon puits de carbone.
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Webographie 

Modifié le: jeudi 27 septembre 2018, 14:59