SVT 1re (2019) - Manuel numérique enseignant

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Sciences de la Vie et de la Terre

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Coordination Patrice Baudevin et Julien Girault

Auteurs Aude Amilhat Philippe Augeray Raphaëlle Barthélémy Philippe Brunet Hélène Clauce Carole Fouquet Eve Koch Alice Lieury Sandrine Jomard Ariane Pasco Julien Samuel

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Édition : Malvina Juhel, Dominique Decobecq Responsable éditorial : Adrien Fuchs Couverture : Primo&Primo Mise en page : SCM, Toulouse Le photocopillage, c’est l’usage abusif et collectif de la photocopie sans autorisation des auteurs et des éditeurs. Largement répandu dans les établissements d’enseignement, le photocopillage menace l’avenir du livre, car il met en danger son équilibre économique. Il prive les auteurs d’une juste rémunération. En dehors de l’usage privé du copiste, toute reproduction totale ou partielle de cet ouvrage est interdite. Aux termes du Code de la propriété intellectuelle, toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle de la présente publication, faite par quelque procédé que ce soit (reprographie, microfilmage, scannérisation, numérisation…) sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite et constitue une contrefaçon sanctionnée par les articles L. 335-2 et suivants du Code de la propriété intellectuelle. L’autorisation d’effectuer des reproductions par reprographie doit être obtenue auprès du Centre Français d’exploitation du droit de Copie (CFC) – 20, rue des Grands-Augustins – 75006 PARIS - tél. : 01 44 07 47 70 – fax : 01 46 34 67 19.

© Magnard – Paris, 2019 – 5 allée de la 2e D.B., 75015 Paris ISBN : 978-2-210-11276-6

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SOMMAIRE Programme................................................................................................................ 5

THÈME 1 LA TERRE, LA VIE ET L’ORGANISATION DU VIVANT Thème 1A Transmission, variation et expression du patrimoine génétique Chapitre 1

Les divisions des cellules eucaryotes............................................. 27

Chapitre 2

Mutations et variabilité génétique................................................... 39

Chapitre 3

L’histoire humaine lue dans son génome....................................... 49

Chapitre 4

L’expression du patrimoine génétique............................................ 55

Chapitre 5

Les enzymes, des biomolécules aux propriétés catalytiques........ 65

Thème 1B

La dynamique interne de la Terre

Chapitre 6

La structure du globe terrestre....................................................... 73

Chapitre 7

La dynamique de la lithosphère...................................................... 81

Chapitre 8

La dynamique des zones de divergence.......................................... 87

Chapitre 9

La dynamique des zones de convergence....................................... 93

THÈME 2 ENJEUX CONTEMPORAINS DE LA PLANÈTE Chapitre 10

L’organisation des écosystèmes...................................................... 101

Chapitre 11

Les écosystèmes, un fonctionnement en équilibre dynamique..... 111

Chapitre 12 L’humanité et les écosystèmes : les services écosystémiques et leur gestion.................................................................................. 121

THÈME 3 CORPS HUMAIN ET SANTÉ Thème 3A Variations génétiques et santé Chapitre 13

Mutations et santé........................................................................... 132

Chapitre 14

Facteurs génétiques, altérations du génome et santé................... 143

Thème 3B Le fonctionnement du système immunitaire humain Chapitre 15

L’immunité innée............................................................................. 153

Chapitre 16 L’immunité adaptative et ses applications médicales.................... 165

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PROGRAMME DE SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE DE PREMIÈRE GÉNÉRALE

Préambule Les objectifs de l’enseignement des sciences de la vie et de la Terre au lycée L’enseignement des sciences de la vie et de la Terre (SVT) au lycée vise à dispenser une formation scientifique solide préparant à l’enseignement supérieur. Dans le prolongement du collège, il poursuit la formation civique des élèves. À partir de bases générales établies en seconde, les enseignements de spécialités de première et de terminale conduisent à des approfondissements, à des approches complémentaires et à des généralisations ainsi qu’à une pratique de méthodes et de raisonnements scientifiques plus aboutis. Discipline en prise avec l’évolution rapide des connaissances et des technologies, les SVT permettent à la fois la compréhension d’objets et de méthodes scientifiques et l’éducation en matière d’environnement, de santé, de sécurité, contribuant ainsi à la formation des futurs citoyens. Dans ses programmes, la discipline porte trois objectifs majeurs : • renforcer la maîtrise de connaissances validées scientifiquement et de modes de raisonnement propres aux sciences et, plus généralement, assurer l’acquisition d’une culture scientifique assise sur les concepts fondamentaux de la biologie et de la géologie ; • participer à la formation de l’esprit critique et à l’éducation civique en appréhendant le monde actuel et son évolution dans une perspective scientifique ; • préparer les élèves qui choisiront une formation scientifique à une poursuite d’études dans l’enseignement supérieur et, au-delà, aux métiers auxquels elle conduit. Pour atteindre ces objectifs, les programmes de SVT du cycle terminal sont organisés en trois grandes thématiques (chacune déclinée en plusieurs thèmes) : La Terre, la vie et l’évolution du vivant La science construit, à partir de méthodes de recherche et d’analyse rigoureuses fondées sur l’observation de la Terre et du monde vivant, une explication cohérente de leur état, de leur fonctionnement et de leur histoire. Enjeux contemporains de la planète Les élèves appréhendent les grands enjeux auxquels l’humanité sera confrontée au xxie siècle, ceux de l’environnement, du développement durable, de la gestion des ressources et des risques, etc. Pour cela, ils s’appuient sur les démarches scientifiques de la biologie et des géosciences. Le corps humain et la santé Les thèmes retenus permettent aux élèves de mieux appréhender le fonctionnement de leur organisme et de saisir comment la santé se définit aujourd’hui dans une approche globale intégrant l’individu dans son environnement et prenant en compte les enjeux de santé publique. Dans ces trois thématiques, l’exercice de l’esprit critique est particulièrement nécessaire face à la quantité croissante de mises en question des apports des sciences. Ces trois thématiques permettent également aux élèves de découvrir les métiers liés aux sciences fondamentales (recherche, enseignement), les métiers actuels ou émergents dans les sciences de l’environnement et du développement durable, en géosciences, en gestion des ressources et des risques, ainsi que les métiers liés aux domaines de la santé et du sport. Comme tous les enseignements, cette spécialité contribue au développement des compétences orales à travers notamment la pratique de l’argumentation. Celle-ci conduit à préciser sa pensée et à expliciter 5

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son raisonnement de manière à convaincre. Elle permet à chacun de faire évoluer sa pensée, jusqu’à la remettre en cause si nécessaire, pour accéder progressivement à la vérité par la preuve. Si ces considérations sont valables pour tous les élèves, elles prennent un relief particulier pour ceux qui choisiront de poursuivre cet enseignement de spécialité en terminale et qui ont à préparer l’épreuve orale terminale du baccalauréat. Il convient que les travaux proposés aux élèves y contribuent dès la classe de première.

Mise en œuvre du programme Le programme est conçu pour laisser une large part à l’initiative du professeur et/ou de l’équipe disciplinaire, et ainsi préserver leur liberté pédagogique qui porte sur : –– les modalités didactiques ; –– l’ordre dans lequel seront étudiés les thèmes et introduites les notions ; –– les exemples choisis ; –– le degré d’approfondissement pour aborder tel ou tel sujet, tout en préservant la logique d’un traitement équilibré du programme. Le programme détermine les connaissances et les capacités que les élèves doivent acquérir pour réussir dans leur poursuite d’études, quelle qu’elle soit. Les activités expérimentales occupent une place centrale en SVT : pour répondre à un problème scientifique, l’élève examine la validité d’une hypothèse par la mise au point d’un protocole ; il confronte les résultats de l’expérience aux attentes théoriques ou à un modèle. Les études et prélèvements sur le terrain favorisent les apprentissages : les élèves mettent en œuvre des stratégies d’observation, d’échantillonnage, de recueil de données, qu’ils peuvent ensuite traiter avec des outils d’analyse. Activités expérimentales et sorties favorisent l’éducation à la sécurité et aux risques par le respect des règles de sécurité indispensables.

Le numérique et les SVT Les SVT requièrent l’usage des outils numériques généralistes (Internet, tableurs) et le recours à l’expérimentation assistée par ordinateur, qui peut se prolonger par l’exploitation de capteurs connectés à des microcontrôleurs programmables. Elles doivent aussi développer de nouvelles compétences numériques chez les élèves : l’usage des bases de données scientifiques, de systèmes d’informations géoscientifiques, de la modélisation numérique, de la programmation, des calculs quantitatifs, voire de la réalité virtuelle et de la réalité augmentée. Ce sont autant de possibilités offertes aux lycéens de manipuler les outils actuels des sciences du vivant et de la Terre, qui leur ouvrent de nouvelles perspectives de formation, comme la bio-informatique ou l’exploitation de données. Une formation scientifique développe les compétences d’analyse critique pour permettre aux élèves de vérifier les sources d’information et leur légitimité, puis de distinguer les informations fiables. Ces démarches sont particulièrement importantes en SVT, qui font souvent l’objet de publications « pseudo-scientifiques », voire idéologiques : les professeurs de SVT contribuent à l’éducation des élèves aux médias et à l’information par un travail régulier d’approche critique des informations.

Liens avec les autres disciplines scientifiques Les SVT intègrent naturellement dans leurs pratiques les acquis des autres disciplines scientifiques, en particulier la physique-chimie et l’informatique, et utilisent les concepts et outils mathématiques. Le programme mobilise les apports de ces disciplines dans d’autres contextes, au nom d’autres usages et d’autres intérêts. Une attention particulière doit être portée à la cohérence du vocabulaire scientifique employé d’une discipline à l’autre.

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Compétences travaillées Compétences Pratiquer des démarches scientifiques

Quelques exemples de capacités associées -- Formuler et résoudre une question ou un problème scientifique. Concevoir et mettre en œuvre des stratégies de résolution. -- Observer, questionner, formuler une hypothèse, en déduire ses conséquences testables ou vérifiables, expérimenter, raisonner avec rigueur, modéliser, argumenter. -- Interpréter des résultats et en tirer des conclusions. -- Comprendre le lien entre les phénomènes naturels et le langage mathématique. -- Comprendre qu’un effet peut avoir plusieurs causes. -- Disséquer la complexité apparente des phénomènes observables en éléments et principes fondamentaux. -- Distinguer ce qui relève d’une croyance ou d’une opinion et ce qui constitue un savoir scientifique.

Concevoir, créer, réaliser

-- Identifier et choisir des notions, des outils et des techniques, ou des modèles simples pour mettre en œuvre une démarche scientifique. -- Concevoir et mettre en œuvre un protocole.

Utiliser des outils et mobiliser des méthodes pour apprendre

-- Apprendre à organiser son travail. -- Identifier et choisir les outils et les techniques pour garder trace de ses recherches (à l’oral et à l’écrit). -- Recenser, extraire, organiser et exploiter des informations à partir de documents en citant ses sources, à des fins de connaissance et pas seulement d’information. -- Coopérer et collaborer dans le cadre de démarches de projet.

Pratiquer des langages

-- Communiquer sur ses démarches, ses résultats et ses choix, en argumentant. -- Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : oral, écrit, graphique, numérique. -- Utiliser des outils numériques. -- Conduire une recherche d’informations sur internet en lien avec une question ou un problème scientifique, en choisissant des mots-clés pertinents, et en évaluant la fiabilité des sources et la validité des résultats. -- Utiliser des logiciels d’acquisition, de simulation et de traitement de données.

Adopter un comportement éthique et responsable

-- Identifier les impacts (bénéfices et nuisances) des activités humaines sur l’environnement à différentes échelles. -- Fonder ses choix de comportement responsable vis-à-vis de sa santé ou de l’environnement en prenant en compte des arguments scientifiques. -- Comprendre les responsabilités individuelle et collective en matière de préservation des ressources de la planète (biodiversité , ressources minérales et ressources énergétiques) et de santé. -- Participer à l’élaboration de règles de sécurité et les appliquer au laboratoire et sur le terrain.

Thématiques étudiées La Terre, la vie et l’organisation du vivant Transmission, variation et expression du patrimoine génétique L’étude s’appuie sur les connaissances acquises en collège et en classe de seconde sur la molécule d’ADN et les divisions cellulaires. Les élèves apprennent comment le matériel génétique est transmis lors de la multiplication cellulaire, d’une génération à l’autre et comment il s’exprime dans les cellules vivantes. La reproduction conforme et la variation génétique issue des mutations sont expliquées par l’étude de la réplication de l’ADN. Les mécanismes de transcription et de traduction de l’information génétique sont explicités jusqu’à leur aboutissement : la synthèse de molécules d’ARN et de protéines qui sont à la base du fonctionnement d’une cellule vivante.

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• Les divisions cellulaires des eucaryotes Connaissances Les chromosomes sont des structures universelles aux cellules eucaryotes (organismes dont les cellules ont un noyau). À chaque cycle de division cellulaire, chaque chromosome est dupliqué et donne un chromosome à deux chromatides, chacune transmise à une des deux cellules obtenues. C’est la base de la reproduction conforme. Chez les eucaryotes, les chromosomes subissent une alternance de condensation-décondensation au cours du cycle cellulaire. La division cellulaire mitotique est une reproduction conforme. Toutes les caractéristiques du caryotype de la cellule parentale (nombre et morphologie des chromosomes) sont conservées dans les deux cellules filles. La méiose conduit à quatre cellules haploïdes, qui ont, chacune, la moitié des chromosomes de la cellule diploïde initiale.

Notions fondamentales : diploïde, haploïde, méiose, phases du cycle cellulaire eucaryote : G1, S (synthèse d’ADN), G2, mitose (division cellulaire), fuseau mitotique ou méiotique. Capacités –– Réaliser et observer des préparations au microscope de cellules eucaryotes en cours de division, colorées de manière à faire apparaître les chromosomes. –– À partir d’images, réaliser des caryotypes à l’aide d’un logiciel et les analyser. –– Recenser, extraire et exploiter des informations permettant de caractériser les phases d’un cycle cellulaire eucaryote.

Précisions  : le fuseau mitotique est évoqué mais une étude exhaustive n’est pas attendue. L’étude exhaustive des anomalies caryotypiques (aneuploïdies) n’est pas attendue. Les brassages génétiques inter et intra chromosomique sont étudiés en classe terminale. • La réplication de l’ADN Connaissances Chaque chromatide est constituée d’une longue molécule d’ADN associée à des protéines structurantes. Au cours de la phase S, l’ADN subit la réplication semi-conservative. Il s’agit de la formation de deux copies qui, en observant les règles d’appariement des bases, conservent chacune la séquence des nucléotides de la molécule initiale. Ainsi, les deux cellules provenant par mitose d’une cellule initiale possèdent exactement la même information génétique. La succession de mitoses produit un ensemble de cellules, toutes génétiquement identiques que l’on appelle un clone.

Notions fondamentales : réplication semi conservative, ADN polymérase, clone. Objectifs  : savoir comment relier l’échelle cellulaire (mitose, chromosomes) à l’échelle moléculaire (ADN).

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Capacités –– Présenter une démarche historique sur l’identification ou la composition chimique des chromosomes. –– Calculer la longueur totale d’une molécule d’ADN dans un chromosome et de l’ensemble de l’ADN d’une cellule humaine ; comparer avec le diamètre d’une cellule. Calculer la longueur d’ADN de l’ensemble des cellules humaines. –– Exploiter les informations d’une expérience historique ayant permis de montrer que la réplication est un mécanisme semi-conservatif. –– Utiliser des logiciels ou analyser des documents permettant de comprendre le mécanisme de réplication semi-conservative. –– Observer des images montrant des molécules d’ADN en cours de réplication. –– Calculer la vitesse et la durée de réplication chez une bactérie (E. coli) et chez un eucaryote. –– Concevoir et/ou réaliser une réaction de PCR (amplification en chaîne par polymérase) en déterminant la durée de chaque étape du cycle de PCR. Calculer le nombre de copies obtenues après chaque cycle.

Précisions : les points suivants sont hors programme : machinerie enzymatique de synthèse des nucléotides et de réplication semi-conservative. Le détail des constituants des chromatides autre que l’ADN n’est pas attendu. • Mutations de l’ADN et variabilité génétique Connaissances Des erreurs peuvent se produire aléatoirement lors de la réplication de l’ADN. Leur fréquence est augmentée par l’action d’agents mutagènes. L’ADN peut également être endommagé en dehors de sa réplication. Les mutations sont à l’origine de la diversité des allèles au cours du temps. Selon leur nature elles ont des effets variés sur le phénotype. Les erreurs réplicatives et les altérations de l’ADN peuvent être réparées par des mécanismes spécialisés impliquant des enzymes. Si les réparations ne sont pas conformes, la mutation persiste à l’issue de la réplication et est transmise au moment de la division cellulaire. Chez les animaux dont l’être humain, une mutation survient soit dans une cellule somatique (elle sera présente dans le clone issu de cette cellule) soit dans une cellule germinale (elle devient potentiellement héréditaire).

Notions fondamentales : allèles, mutations, nature et fréquence des mutations, mutations spontanées et induites, systèmes de réparation, ADN polymérase. Objectifs : les élèves acquièrent des connaissances fondamentales sur la formation des mutations. La notion d’allèles s’applique à tout segment d’ADN codant ou non.

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Capacités –– Concevoir et réaliser un protocole pour étudier l’action d’un agent mutagène (par exemple les UV) sur la survie des cellules et sur l’apparition de mutants. Quantifier. –– Recenser et exploiter des informations permettant de montrer l’influence d’agents mutagènes physiques (rayonnements) ou chimiques (molécules). –– Recenser et exploiter des informations permettant de caractériser des mutations. –– Recenser et exploiter des informations sur la diversité allélique au sein des populations (par exemple humaine). –– Recenser et exploiter des informations de recherche sur les génomes des trios (père, mère, enfant) afin de se faire une idée sur la fréquence et la nature des mutations spontanées chez l’être humain. –– Exploiter des bases de données pour mettre en relation des mutations et leurs effets.

Précisions : on distinguera les mutations spontanées de l’ADN des modifications introduites volontairement par génie génétique conduisant par exemple à la création d’OGM, aux thérapies géniques, etc. L’action des agents mutagènes est étudiée à titre d’exemple mais le mécanisme n’est pas attendu. Aucune exhaustivité n’est attendue pour la présentation de ces agents. La liste des mutations possibles n’est pas attendue. Les mécanismes de réparation de l’ADN ne doivent pas être détaillés. Pour des expériences impliquant des micro-organismes, on respecte des protocoles stricts concernant à la fois la culture de micro-organismes et leur destruction systématique en fin de manipulation. • L’histoire humaine lue dans son génome Connaissances La diversité allélique entre les génomes humains individuels permet de les identifier et, par comparaison, de reconstituer leurs relations de parentés. Grâce aux techniques modernes, on peut connaître les génomes d’êtres humains disparus à partir de restes fossiles. En les comparant aux génomes actuels, on peut ainsi reconstituer les principales étapes de l’histoire humaine récente. Certaines variations génétiques résultent d’une sélection actuelle (tolérance au lactose, résistance à la haute altitude) ou passée (résistance à la peste).

Objectifs : les élèves apprennent que les génomes portent en eux-mêmes les traces de l’histoire de leurs ancêtres. Ces traces s’altèrent avec le temps mais permettent néanmoins de remonter à un grand nombre de générations. Capacités –– Rechercher et exploiter des documents montrant comment a été déterminée la première séquence du génome humain. –– Explorer quelques stratégies et outils informatiques de comparaisons de séquences entre génomes individuels. –– Calculer le nombre de générations humaines successives en mille, dix mille et cent mille ans et en déduire le nombre théorique d’ancêtres de chacun d’entre nous à ces dates. Conclure. –– Rechercher et exploiter des documents sur les génomes de néandertaliens et/ou de denisoviens. –– Rechercher et exploiter des documents montrant l’existence d’allèles néandertaliens dans les génomes humains actuels.

Précisions : les divers composants d’un génome (gènes, pseudo gènes, éléments mobiles, séquences répétées, etc.) ne sont pas exigibles. 10

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• L’expression du patrimoine génétique Connaissances La séquence de l’ADN, succession des quatre désoxyribonucléotides le long des brins de la molécule, est une information. Cette information est transmise de générations en générations. À chaque génération, cette information est exprimée par l’intermédiaire d’un autre acide nucléique : l’ARN. Les molécules d’ARN sont synthétisées par complémentarité des nucléotides à partir de l’ADN lors d’un processus dénommé transcription. Chez les eucaryotes, la transcription a lieu dans le noyau et certains des ARN formés, après maturation éventuelle, sont exportés dans le cytoplasme. Parmi ceux-ci se trouvent les ARN messagers qui dirigent la synthèse de protéines lors d’un processus dénommé traduction. Le code génétique est un système de correspondance, universel à l’ensemble du monde vivant, qui permet la traduction de l’ARN messager en protéines. L’information portée par une molécule d’ARN messager (le message génétique) est ainsi convertie en une information fonctionnelle (la séquence des acides aminés de la protéine). Le phénotype résulte de l’ensemble des produits de l’ADN (protéines et ARN) présents dans la cellule. Il dépend du patrimoine génétique et de son expression. L’activité des gènes de la cellule est régulée sous l’influence de facteurs internes à l’organisme (développement) et externes (réponses aux conditions de l’environnement).

Notions fondamentales : transcription, traduction, pré-ARNm, ARNm, codon, riboses, génotype, phénotype. Objectifs : les élèves relient un gène à ses produits (ARN et protéines) et comprennent ainsi que l’existence d’une étape intermédiaire (ARN) permet de nombreuses régulations. Ils appréhendent la différence essentielle entre information et code. Capacités –– Calculer le nombre de combinaisons possibles de séquences de n nucléotides de longueur quand n grandit. Comparer à un code binaire utilisé en informatique. –– Calculer le nombre de combinaisons possibles de séquences de n acides aminés quand n grandit. Comparer au calcul réalisé pour l’ADN. –– Mener une démarche historique ou une étude documentaire sur le séquençage des macromolécules (protéines, ARN et ADN). –– Mener une démarche historique ou une étude documentaire permettant de comprendre comment les ARN messagers ont été découverts. –– Rechercher et exploiter des documents montrant la synthèse et la présence d’ARN dans différents types cellulaires ou dans différentes conditions expérimentales. –– Étudier les expériences historiques permettant de comprendre comment le code génétique a été élucidé. –– Concevoir un algorithme de traduction d’une séquence d’ARN et éventuellement le programmer dans un langage informatique (par exemple Python). –– Rechercher et exploiter des documents montrant la synthèse de protéines hétérologues après transgénèse (illustrant l’universalité du code génétique). –– Caractériser à l’aide d’un exemple les différentes échelles d’un phénotype (moléculaire, cellulaire, de l’organisme).

Précisions : les nombreuses catégories d’ARN, les processus de maturation des ARN, et les processus moléculaires de transcription et de traduction (avec les ARNt et ARNr) sont hors programme.

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• Les enzymes, des biomolécules aux propriétés catalytiques Connaissances Les protéines enzymatiques sont des catalyseurs de réactions chimiques spécifiques dans le métabolisme d’une cellule. La structure tridimensionnelle de l’enzyme lui permet d’interagir avec ses substrats et explique ses spécificités en termes de substrat et de réaction catalytique.

Notions fondamentales : catalyse, substrat, produit, spécificité. Objectifs  : il s’agit de montrer que les enzymes, issus de l’expression génétique d’une cellule, sont essentiels à la vie cellulaire et sont aussi des marqueurs de sa spécialisation. Capacités –– Étudier les relations enzyme-substrat au niveau du site actif par un logiciel de modélisation moléculaire. –– Concevoir et réaliser des expériences utilisant des enzymes et permettant d’identifier leurs spécificités. –– Étudier des profils d’expression de cellules différenciées montrant leur équipement enzymatique. –– Étudier l’interaction enzyme-substrat en comparant les vitesses initiales des réactions et faisant varier soit la concentration en substrat ; soit en enzyme. Utiliser des tangentes à t0 pour calculer la vitesse initiale.

Précisions : les caractéristiques de la cinétique enzymatiques, les compétitions au site actif ne sont pas attendues. Le contrôle de l’activité enzymatique par des effecteurs (exemples : T, pH) peut être utilisé par le professeur dans sa démarche mais n’est pas un attendu du programme. La dynamique interne de la Terre Les élèves découvrent le fonctionnement interne actuel de la Terre, une planète active. Ils apprennent comment les méthodes des géosciences permettent de construire une approche scientifique de la dynamique terrestre. C’est aussi l’occasion pour eux de s’approprier les ordres de grandeur des objets (échelles de temps, échelle de taille) et des mécanismes de la géologie, en mobilisant différents objets géologiques, de la roche au globe terrestre. • La structure du globe terrestre Des contrastes entre les continents et les océans Connaissances La distribution bimodale des altitudes observée entre continents et le fond des océans reflète un contraste géologique, qui se retrouve dans la nature des roches et leur densité. Si la composition de la croûte continentale présente une certaine hétérogénéité visible en surface (roches magmatiques, sédimentaires, métamorphiques), une étude en profondeur révèle que les granites en sont les roches les plus représentatives.

Objectifs : par la découverte des deux croûtes, les élèves acquièrent les données fondamentales sur les principales roches rencontrées (basalte, gabbro, granites).

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Capacités –– Mettre en relation des cartes et/ou des logiciels de visualisation des reliefs avec la courbe de distribution bimodale. –– Utiliser des cartes géologiques (carte géologique mondiale) comme des données d’observation directe (faille VEMA, forages) pour identifier les compositions des croûtes océaniques et continentales. –– Utiliser la carte de France au millionième pour identifier la répartition des principaux types de roches sur le territoire. –– Effectuer des mesures de densité sur des roches continentales et océaniques. –– Mener une observation comparative des roches des croûtes océanique et continentale (composition, structure, etc.).

Précisions : les différences de relief ne sont pas, à ce niveau, expliquées par les mécanismes de l’isostasie. L’étude pétrographique se limite à l’étude des principales caractéristiques des roches citées. L’apport des études sismologiques et thermiques à la connaissance du globe terrestre Connaissances Un séisme résulte de la libération brutale d’énergie lors de rupture de roches soumises à des contraintes. Les informations tirées du trajet et de la vitesse des ondes sismiques permettent de comprendre la structure interne de la Terre (croûte – manteau – noyau ; modèle sismique PREM [Preliminary Reference Earth Model], comportement mécanique du manteau permettant de distinguer lithosphère et asthénosphère ; état du noyau externe liquide et du noyau interne solide). Les études sismologiques montrent les différences d’épaisseur entre la lithosphère océanique et la lithosphère continentale. L’étude des séismes au voisinage des fosses océaniques permet de différencier le comportement d’une lithosphère cassante par rapport à une asthénosphère plus ductile. La température interne de la Terre croît avec la profondeur (gradient géothermique). Le profil d’évolution de la température interne présente des différences suivant les enveloppes internes de la Terre, liées aux modes de transfert thermique : la conduction et la convection. Le manteau terrestre est animé de mouvements de convection, mécanisme efficace de transfert thermique. La propagation des ondes sismiques dans la Terre révèle des anomalies de vitesse par rapport au modèle PREM. Elles sont interprétées comme des hétérogénéités thermiques au sein du manteau.

Notions fondamentales : contraintes, transmission des ondes sismiques, failles, réflexion, réfraction, zones d’ombre. Objectifs : l’étude sismologique permet ici d’affiner la compréhension de la structure du globe terrestre et de la lithosphère au-delà de la vision du risque sismique appréhendé par les élèves au collège. Grâce au croisement de différentes méthodes, les élèves accèdent à la connaissance de la structure thermique du globe de manière à pouvoir mobiliser ensuite les données thermiques dans l’explication de mécanismes géologiques étudiés.

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Capacités –– Consulter et exploiter une base de données sismologiques. –– Traiter des données sismologiques. –– Concevoir une modélisation analogique et réaliser des mesures à l’aide de dispositifs d’expérimentation assistée par ordinateur, ou des microcontrôleurs pour étudier la propagation d’ondes à travers des matériaux de nature pétrographique différente ou de comportement mécanique différent. –– Étudier par expérimentation assistée par ordinateur et/ou par modélisation analogique les paramètres à l’origine des modifications de la vitesse des ondes (nature du matériau, de sa rigidité/ plasticité, effet de la température). –– Étudier la propagation profonde des ondes (zone d’ombre, mise en évidence des discontinuités) en utilisant les lois de Snell-Descartes et/ou mettant en œuvre un modèle analogique pour montrer les zones d’ombre. –– Utiliser des profils de vitesse et de densité du modèle PREM. –– Analyser des courbes d’augmentation de la température en fonction de la profondeur (mines, forages) ; croiser des données thermiques, des données de composition chimique, avec les données sismiques pour comprendre le modèle de la structure thermique de la Terre. –– Calculer la température au centre de la Terre en utilisant le gradient géothermique de surface et apprécier sa validité au regard de l’état physique des matériaux. –– Réaliser des modèles analogiques pour appréhender la conduction et la convection. –– Montrer l’existence d’hétérogénéités thermiques dans le manteau par des données de tomographies sismiques, tout en attirant l’attention sur l’amplitude des variations par rapport au modèle PREM.

Précisions : les caractéristiques d’un séisme sont dégagées à partir de l’étude de cas concrets et en utilisant des outils numériques enrichissant les possibilités d’analyse par les élèves. La connaissance des mécanismes au foyer n’est pas attendue. • La dynamique de la lithosphère La caractérisation de la mobilité horizontale Connaissances La lithosphère terrestre est découpée en plaques animées de mouvements. Le mouvement des plaques, dans le passé et actuellement, peut être quantifié par différentes méthodes géologiques : études des anomalies magnétiques, mesures géodésiques, détermination de l’âge des roches par rapport à la dorsale, alignements volcaniques liés aux points chauds. La distinction de l’ensemble des indices géologiques et les mesures actuelles permettent d’identifier des zones de divergence et des zones de convergence aux caractéristiques géologiques différentes (marqueurs sismologiques, thermiques, pétrologique). Capacités –– Identifier en utilisant des données sismiques les plaques lithosphériques. –– Analyser des bases de données de vitesse de déplacement (mesure laser, mesures GPS). –– Analyser et mettre en relation le flux géothermique surfacique et le contexte géodynamique à partir de cartes des flux géothermiques surfaciques. –– Étudier des données magnétiques ou sédimentaires permettant d’établir la divergence de part et d’autre de la dorsale. –– Étude de données sur les dorsales (bathymétrie, forages, etc.). 14

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La dynamique des zones de divergence Connaissances La divergence des plaques de part et d’autre des dorsales permet la mise en place d’une nouvelle lithosphère. Celle-ci se met en place par apport de magmas mantelliques à l’origine d’une nouvelle croûte océanique. Ce magmatisme à l’aplomb des dorsales s’explique par la décompression du manteau. Dans certaines dorsales (dorsales lentes) l’activité magmatique est plus réduite et la divergence met directement à l’affleurement des zones du manteau. La nouvelle lithosphère formée se refroidit en s’éloignant de l’axe et s’épaissit. Cet épaississement induit une augmentation progressive de la densité de la lithosphère. La croûte océanique et les niveaux superficiels du manteau sont le siège d’une circulation d’eau qui modifie les minéraux. Capacités –– Études de l’affleurement à la roche des basaltes/gabbros/péridotites et leurs équivalents hydratés (serpentinite, gabbros à hornblende, etc.). –– Calcul de la densité moyenne de l’ensemble croûte – manteau lithosphérique en fonction de son épaisseur, puis de son âge en utilisant une loi empirique reliant épaisseur et âge.

• La dynamique des zones de convergence Les zones de subduction Connaissances La lithosphère océanique plonge en profondeur au niveau d’une zone de subduction. Les zones de subduction sont le siège d’un magmatisme sur la plaque chevauchante. Le volcanisme est de type explosif : les roches mises en place montrent une diversité pétrologique mais leur minéralogie atteste toujours de magmas riches en eau. Ces magmas sont issus de la fusion partielle du coin de manteau situé sous la plaque chevauchante ; ils peuvent s’exprimer en surface ou peuvent cristalliser en profondeur, sous forme de massifs plutoniques. Ils peuvent subir des modifications lors de leur ascension, ce qui explique la diversité des roches. La fusion partielle des péridotites est favorisée par l’hydratation du coin de manteau. Les fluides hydratant le coin de manteau sont apportés par des transformations minéralogiques affectant le panneau en subduction, dont une partie a été hydratée au niveau des zones de dorsales. La mobilité des plaques lithosphériques résulte de phénomènes de convection impliquant les plaques elles-mêmes et l’ensemble du manteau. L’augmentation de la densité de la lithosphère constitue un facteur important contrôlant la subduction et, par suite, les mouvements descendants de la convection. Ceux-ci participent à leur tour à la mise en place des mouvements ascendants.

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Capacités –– Analyser les résultats de différentes méthodes pour identifier le plan de Wadati-Benioff. –– Relier la minéralogie des roches (présence de minéraux hydroxylés) mises en place (andésite, rhyolite, granites) et l’état d’hydratation du magma. –– Utiliser le diagramme de phases des péridotites pour montrer les effets de l’hydratation. –– Comparer la minéralogie d’échantillons illustrant la déshydratation de la lithosphère (schiste bleu ; éclogite). –– Discuter les relations entre vitesse d’accrétion et pourcentage de subduction aux frontières de plaques. –– En considérant la densité moyenne de la lithosphère et celle de l’asthénosphère, déterminer l’épaisseur et l’âge de la lithosphère qui induiraient un déséquilibre gravitaire. Confronter les valeurs aux situations réellement observées. Les zones de collision Connaissances L’affrontement de lithosphère de même densité conduit à un épaississement crustal. L’épaisseur de la croûte résulte d’un raccourcissement et d’un empilement des matériaux lithosphériques. Raccourcissement et empilement sont attestés par un ensemble de structures tectoniques déformant les roches (plis, failles, chevauchements, nappes de charriage). Capacités –– Recenser, extraire et organiser des données de terrain entre autres lors d’une sortie. –– Observer les profils ECORS (Étude de la Croûte Continentale et Océanique par Réflexion Sismique). –– Repérer à différentes échelles, des indices simples de modifications tectoniques, du raccourcissement et de l’empilement (par exemple avec des données sur la chaîne himalayenne).

• Pour l’ensemble du thème « La dynamique de la lithosphère »

Notions fondamentales  : morphologie d’une dorsale et d’une zone de subduction, failles normales et inverses, remontée asthénosphérique, magmatisme et roches associées, hydrothermalisme, augmentation de densité, panneau plongeant, fusion partielle, déformation, plis, chevauchement. Objectifs  : dans un premier temps, les élèves remobilisent leurs acquis du collège pour préciser et quantifier les mouvements des plaques lithosphériques en croisant différentes méthodes. Ainsi, ils appréhendent mieux les ordres de grandeurs (vitesse) de la dynamique lithosphérique. Ensuite, s’appuyant sur différents faits géologiques, ils découvrent les principaux phénomènes de la dynamique terrestre. Pour l’étude de marqueurs de la collision, des exemples pourront être pris dans toute chaîne active ou récente (Alpes, Pyrénées et Himalaya). Dans cette partie, les élèves trouvent aussi une explication à la formation des types de roches qu’ils ont identifiés dans la première partie. Précisions : on n’attend ni une interprétation des inversions magnétiques, ni une étude exhaustive des roches de zones de subduction.

Enjeux contemporains de la planète Écosystèmes et services environnementaux Trois enjeux sont abordés dans cette partie d’écologie, où les élèves saisissent le contexte des politiques de préservation de la biodiversité en crise : 16

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• un enjeu de connaissance, avec l’étude de la notion d’écosystème à partir d’exemples. Dans la progression ici proposée, les élèves apprennent d’abord à décrire le système puis à distinguer les mécanismes fonctionnels et la dynamique spatio-temporelle, notamment actuelle ; • un enjeu de capacité, avec l’apport de la démarche scientifique à la compréhension des changements écologiques actuels et des tentatives d’y remédier ; • un enjeu d’attitude  : l’espèce humaine est repositionnée comme un élément des écosystèmes, en interdépendance avec son environnement. Ce thème peut être traité par le prisme des écosystèmes forestiers (tempérés voire équatoriaux), bons exemples pour étudier l’organisation et la dynamique des écosystèmes, comme les menaces et les enjeux de gestion dont ils sont l’objet. • Les écosystèmes : des interactions dynamiques entre les êtres vivants et entre eux et leur milieu Connaissances Les écosystèmes sont constitués par des communautés d’êtres vivants (biocénose) interagissant au sein de leur milieu de vie (biotope). La biocénose est en interaction avec le biotope (répartition des espèces selon les conditions abiotiques). La diversité des interactions biotiques s’étudie à la lueur de leur effet sur la valeur sélective des partenaires : compétition (pour la lumière, pour l’eau, les nutriments, etc.), exploitation (prédation, parasitisme) et coopération (mutualisme, dont symbiose). Ces interactions structurent l’organisation (biodiversité de l’écosystème), l’évolution (dynamique des populations) et le fonctionnement de l’écosystème (production, flux de matière et réservoirs, recyclage de la matière organique, etc.). En particulier, les êtres vivants génèrent ou facilitent des flux de matière (eau, carbone, azote, etc.) qui entrent (absorption racinaire, photosynthèse, respiration), circulent (réseau trophique) et sortent (évapotranspiration, érosion) de l’écosystème. Une partie de la matière est recyclée, notamment grâce au sol. L’effet des écosystèmes dans les cycles géochimiques ainsi constitués, se mesure par des bilans d’entrée/sortie de matière. Même sans l’action de l’Homme, les écosystèmes montrent une dynamique spatio- temporelle avec des perturbations (incendies, maladies) affectant les populations. La complexité du réseau d’interactions et la diversité fonctionnelle favorisent la résilience des écosystèmes, qui jusqu’à un certain seuil de perturbation, est la capacité de retrouver un état initial après perturbation. Un écosystème se caractérise donc par un équilibre dynamique susceptible d’être bousculé par des facteurs internes et externes.

Objectifs : les élèves comprennent la complexité d’un système écologique, en caractérisent l’organisation (frontière, élément, flux, interactions). Ils apprennent qu’il n’y a pas d’équilibre stable des écosystèmes mais des équilibres dynamiques susceptibles d’être bousculés (perturbation, résilience, perturbation irréversible).

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Capacités –– Extraire et organiser des informations, issues de l’observation directe sur le terrain, pour savoir décrire les éléments et les interactions au sein d’un système. Comprendre l’importance de la reproductibilité des protocoles d’échantillonnage pour suivre la dynamique spatio-temporelle d’un système. –– Utiliser des outils simples d’échantillonnage pour mettre en évidence la répartition de certaines espèces en fonction des conditions du milieu. –– Décrire à l’aide d’observations et de préparations microscopiques et d’expériences les modalités de certaines interactions (exemple : symbiose mycorhizienne, parasitisme avec une galle sur une feuille, etc.). –– Savoir représenter un réseau d’interactions biotiques afin de mettre en évidence sa structure (liens) et sa richesse. –– Mesurer la biomasse et la production d’un écosystème à différents niveaux du réseau trophique. –– Construire un cycle biogéochimique simplifié avec ces réservoirs et ces flux (on recommande le carbone) dans lequel l’écosystème intervient. Calculer un bilan de matière, considérant l’écosystème comme ouvert.

Précisions : l’étude des agrosystèmes et des sols a été traitée en seconde. Il ne s’agit pas dans cette partie de faire un catalogue exhaustif des écosystèmes (structure et fonctionnement) mais, à partir d’un exemple observable, d’appréhender la diversité des interactions dans un écosystème et leurs effets sur sa dynamique. On relie aussi la diversité fonctionnelle d’un écosystème à la diversité spécifique/génétique, garante de cette diversité fonctionnelle. • L’humanité et les écosystèmes : les services écosystémiques et leur gestion Connaissances L’espèce humaine est un élément parmi d’autres de tous les écosystèmes qu’elle a colonisés. Elle y vit en interaction avec d’autres espèces (parasites, commensales, domestiquées, exploitées). L’espèce humaine affecte le fonctionnement de la plupart des écosystèmes en exploitant des ressources (forestières par exemple), en modifiant le biotope local (sylviculture, érosion des sols) ou global (changement climatique, introduction d’espèces invasives). Beaucoup d’écosystèmes mondiaux sont impactés, avec une perte mondiale de biodiversité et des conséquences néfastes pour les activités humaines (diminution de la production, pollution des eaux, développement de maladies, etc.). Pourtant, l’humanité tire un grand bénéfice de fonctions assurées gratuitement par les écosystèmes : ce sont les services écosystémiques d’approvisionnement (bois, champignons, pollinisation, fruits et graines, etc.), de régulation (dépollution de l’eau et de l’air, lutte contre l’érosion, les ravageurs et les maladies, recyclage de matière organique, fixation de carbone, etc.) et de culture (récréation, valeur patrimoniale, etc.). Notre santé dépend en particulier de celle des écosystèmes qui nous environnent. La connaissance scientifique des écosystèmes (l’écologie) peut permettre une gestion rationnelle des ressources exploitables, assurant à la fois l’activité économique et un maintien des services écosystémiques. L’ingénierie écologique est l’ensemble des techniques qui visent à manipuler, modifier, exploiter ou réparer les écosystèmes afin d’en tirer durablement le maximum de bénéfices (conservation biologique, restauration ou compensation écologique, etc.).

Notions fondamentales  : écosystème, interactions, biodiversité, relations interspécifiques, équilibre dynamique, services écosystémiques. 18

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Objectifs  : transformer l’approche anthropocentrée en une approche écocentrée où l’Homme est un élément des écosystèmes. Comprendre que la démarche scientifique permet d’apporter des solutions à des problèmes écologiques complexes. Capacités –– Inscrire l’espèce humaine dans la représentation construite du réseau d’interactions. –– Prendre conscience de notre interdépendance avec le monde vivant qui nous entoure. Comprendre que la plupart des forêts actuelles (et autres écosystèmes) reflètent aussi un projet d’aménagement. –– Recueillir et analyser des données avant, pendant et après la perturbation d’un écosystème (incendie, destruction, etc.). –– Recenser, extraire et organiser des informations, notamment historiques et de terrain, pour identifier les impacts des activités humaines sur les écosystèmes. –– Mettre en œuvre une démarche de projet (recherche documentaire, récolte et traitement de données, etc.) pour faire appréhender les services écosystémiques (ses acteurs et ses mécanismes) et proposer des solutions de gestion durable des écosystèmes. –– Connaître les débats existant autour de la monétarisation des services écosystémiques. –– Comprendre l’importance de la démarche scientifique dans une gestion éclairée et modulable des écosystèmes afin de profiter durablement des services écosystémiques. –– Prendre conscience de la responsabilité humaine et du débat sociétal face à l’environnement et au monde vivant.

Précisions : on ne cherche pas l’exhaustivité dans le recensement des menaces pesant sur les écosystèmes : il importe que chaque élève comprenne les enjeux et mécanismes d’une menace dans sa complexité ainsi que les solutions apportées par la démarche scientifique.

Corps humain et santé Variation génétique et santé Dans l’espèce humaine comme chez toutes les espèces vivantes, les génomes des individus diffèrent les uns des autres suite aux mutations qui se sont produites au cours des générations successives et ont été conservées dans la population. Ces différences peuvent avoir des conséquences en matière de santé : prédisposition à certains types de pathologies ou sensibilité différentes aux agents pathogènes. Le développement de la génomique conduit à l’idée d’une médecine personnalisée et ouvre la voie à la thérapie génique. De même, la variabilité génétique des micro-organismes peut avoir des implications en termes de pathogénicité ou de résistance aux drogues (médicaments) censées les combattre. • Mutations et santé Connaissances Certaines mutations, héritées ou nouvellement produites, sont responsables de pathologies parce qu’elles affectent l’expression de certains gènes ou altèrent leurs produits. L’examen des arbres généalogiques familiaux permet de connaître les modes de transmission héréditaire des déterminants génétiques responsables. L’étude des génomes de grandes cohortes de patients est à la base de l’identification des gènes correspondants. Dans le cas d’une maladie monogénique à transmission autosomique récessive, seuls les homozygotes pour l’allèle muté sont atteints. Les hétérozygotes sont des porteurs sains. Selon les cas, les traitements apportés visent à compenser par des médicaments la fonction altérée ou à contrôler les conditions de milieu. Dans certains cas, on peut envisager une thérapie génique visant à remplacer l’allèle muté dans les cellules du tissu atteint. 19

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Notion fondamentale : risque génétique, thérapie génique. Objectifs : les élèves comprennent les causes, le mode de transmission, les effets phénotypiques et les traitements possibles d’une maladie génétique monogénique. Capacités –– Recenser, extraire et organiser des informations pour : • établir l’origine génétique d’une maladie ou d’un syndrome à partir d’arbres généalogiques ; • prédire les risques génétiques des nouvelles générations en calculant leur probabilité (conseil génétique). –– Recenser, extraire et organiser des informations relatives à une maladie génétique monogénique suffisamment fréquente pour que l’on puisse disposer d’un catalogue d’allèles permettant de relier un génotype au phénotype. La mucoviscidose est suggérée en raison de la diversité des allèles mutés dans la population, mais le professeur pourra préférer d’autres exemples (drépanocytose, b-thalassémie, myopathie de Duchenne, etc.). –– Recenser, extraire et organiser des informations relatives aux traitements médicaux envisageables en fonction de la variété des manifestations pathologiques observées (tissus affectés, âge moyen d’apparition des symptômes, sévérité du syndrome, etc.).

Précisions : aucune connaissance spécifique concernant une maladie génétique précise n’est attendue mais un élève doit pouvoir conduire une étude à partir des documents fournis (en se limitant au cas de maladies autosomales monogéniques). • Patrimoine génétique et santé Connaissances La plupart des pathologies d’origine génétique sont dues à l’interaction de nombreux gènes qui ne sont pas tous connus. Certains allèles de certains gènes rendent plus probable l’apparition d’une pathologie. Le fond génétique individuel intervient dans la santé de l’individu. De plus, mode de vie et conditions de milieu peuvent interagir dans la probabilité d’apparition d’une pathologie (on peut citer, par exemple, la sensibilité aux rayonnements solaires).

Objectifs : les élèves doivent savoir que la détermination des causes d’une maladie repose sur un mode de raisonnement et des outils statistiques. Une pathologie précise (maladie cardiovasculaire ou diabète de type II, par exemple) est utilisée pour illustrer le thème. Les élèves développent leur esprit critique face aux discours simplificateurs (facteurs dits déterminants, génétiques ou non, etc.).

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Capacités –– Recenser, extraire et organiser des informations pour identifier : • l’origine multigénique de certaines pathologies ; • l’influence de facteurs environnementaux. –– Identifier, dans le cas d’une maladie à causalité multifactorielle, les principes, les intérêts et les limites de l’épidémiologie (descriptive ou analytique) et de ses méthodes (étude de cohortes et témoins). –– Mener une analyse statistique simple sur des données de santé ; cartographier une pathologie en la visualisant sur un système d’information géoscientifique, par exemple. –– Appréhender de manière critique les conditions de validité d’affirmations lues ou entendues concernant la responsabilité d’un gène ou d’un facteur de l’environnement dans le développement d’une maladie. –– Savoir expliciter ses comportements face à un risque de santé pour exercer sa responsabilité individuelle ou collective.

Précisions : à partir de l’exemple choisi, les élèves discernent les principes généraux d’une approche épidémiologique, sans formalisme mathématique complexe. Ils ne développent pas une expertise réelle en matière d’épidémiologie, mais sont sensibilisés à ce type d’approche. • Altérations du génome et cancérisation Connaissances Des modifications du génome des cellules somatiques surviennent au cours de la vie individuelle par mutations spontanées ou induites par un agent mutagène ou certaines infections virales. Elles peuvent donner naissance à une lignée cellulaire dont la prolifération incontrôlée est à l’origine de cancers. On connaît, de plus, des facteurs génétiques hérités qui modifient la susceptibilité des individus à différents types de cancers. La connaissance des causes d’apparition d’un type de cancers permet d’envisager des mesures de protection (évitement des agents mutagènes, surveillance régulière en fonction de l’âge, vaccination), de traitements (médicaments, thérapie génique par exemple) et de guérison.

Notions fondamentales : mutations, cancérisation, facteurs de risques. Objectifs : les élèves acquièrent les connaissances fondamentales sur le développement des cancers, sur leurs origines et leurs formes multiples. Ils comprennent que l’identification de l’origine de certains cancers permet la mise en œuvre de mesures de santé publique. Capacités –– Recenser, extraire et organiser des informations pour identifier les facteurs de cancérisation (agents mutagènes, infections virales, susceptibilité génétique). –– Estimer l’augmentation du taux de mutation induit par un agent mutagène. –– Recenser les causes multiples pouvant concourir au développement de certains cancers (pulmonaire, hépatique, peau) et les mesures de prévention possibles (limitation de l’exposition aux UV et à diverses pollutions chimiques, politique antitabac, etc.). –– Identifier l’importance, en matière de santé publique, de certains virus liés à la cancérisation (hépatite B, papillomavirus) et connaître les méthodes de prévention possibles (vaccination).

Précisions : les mécanismes moléculaires de la cancérisation ne sont pas à traiter. 21

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• Variation génétique bactérienne et résistance aux antibiotiques Connaissances Parmi les mutations spontanées ou induites qui se produisent aléatoirement dans les populations de bactéries, certaines confèrent des résistances aux antibiotiques. L’application d’un antibiotique sur une population bactérienne sélectionne les mutants résistants à cet antibiotique, d’autant plus qu’il élimine les bactéries compétitrices sensibles et permet donc leur développement numérique. L’utilisation systématique de traitements antibiotiques en santé humaine comme en usage agronomique ou vétérinaire conduit à augmenter la fréquence des formes résistantes dans les populations naturelles de bactéries et aboutit à des formes simultanément résistantes à plusieurs antibiotiques. Cela constitue un important problème de santé publique car le nombre de familles d’antibiotiques disponibles est limité. De nouvelles pratiques plus responsables des antibiotiques disponibles doivent donc être recherchées.

Objectifs : un cas pratique de sélection naturelle dans des populations bactériennes est ici illustré et ses incidences en termes de santé publique, dégagées. Capacités –– Étudier un protocole expérimental permettant de montrer la sensibilité ou la résistance de micro-organismes à différents antibiotiques. –– Concevoir et mettre en place un protocole expérimental pour étudier l’apparition de mutants résistants à un antibiotique à partir d’une culture de bactéries sensibles, dans les conditions de sécurité attendues. –– Recenser, extraire et organiser des informations pour : • identifier la sensibilité ou la résistance de micro-organismes à différents antibiotiques ; • calculer le taux d’apparition de résistances dans une population ; • analyser des bases de données sur la résistance aux antibiotiques en France et en Europe (type, incidence dans les populations, relations avec les pratiques de santé et d’élevage, etc.). –– Identifier, sur un exemple, l’intérêt de l’application du raisonnement évolutionniste en matière médicale (prendre en compte l’avantage compétitif des résistants).

Précisions : la connaissance des mécanismes moléculaires de la résistance aux antibiotiques n’est pas attendue. Le fonctionnement du système immunitaire humain Le système immunitaire est constitué d’organes, de cellules et de molécules qui coopèrent pour assurer l’immunité de l’organisme et contribuer ainsi à sa santé. L’immunité est un ensemble de mécanismes intégrés visant à protéger l’organisme des agents infectieux, des cellules cancéreuses ou des dommages tissulaires. Tous les êtres vivants ont des systèmes de défense adaptés à leurs caractéristiques et leurs besoins. Chez les animaux, ces systèmes comprennent des dispositifs de surveillance qui fonctionnent sans relâche et qui patrouillent dans tout l’organisme, ainsi que des mécanismes de réaction déclenchés par la perception d’un élément étranger ou la modification d’une cellule de l’organisme. Ce système comprend deux étages de défenses aux stratégies différentes : –– l’immunité innée, la première à s’être mise en place aux cours de l’évolution, chez l’ancêtre commun des animaux ; –– l’immunité adaptative qui apparaît chez les vertébrés, s’ajoute et se combine à l’immunité innée. Les capacités immunitaires d’un individu évoluent au cours de sa vie suite au contact avec différents antigènes. Elles faiblissent chez les personnes âgées. Elles peuvent être enrichies dès l’enfance et pendant toute la vie grâce à l’aide de vaccins, de sérums, de transplantations et autres interventions médicales préventives ou curatives. 22

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• L’immunité innée Connaissances L’immunité innée existe chez tous les animaux. Elle opère sans apprentissage préalable. Elle est génétiquement déterminée et présente dès la naissance. Elle repose sur des mécanismes de reconnaissance et d’action très conservés au cours de l’évolution : une dizaine de types cellulaires différents (récepteurs de surface pour la reconnaissance de motifs étrangers partagés par de nombreux intrus) et une centaine de molécules circulantes (interleukines pour la communication entre cellules). Très rapidement mise en œuvre et présente en tout point de l’organisme, l’immunité innée est la première à intervenir lors de situations variées (atteintes des tissus, infection, cancérisation). C’est une première ligne de défense immunitaire qui agit d’abord seule puis se prolonge pendant toute la réaction immunitaire. La réaction inflammatoire est essentielle. Elle traduit l’accumulation de molécules et de cellules immunitaires au lieu d’infection ou de lésion. Aiguë, elle présente des symptômes stéréotypés (rougeur, chaleur, gonflement, douleur). Elle prépare le déclenchement de l’immunité adaptative.

Notions fondamentales : organes lymphoïdes, macrophages, phagocytose, médiateurs chimiques de l’inflammation, interleukines, récepteurs de surface, réaction inflammatoire, médicaments anti-inflammatoires. Objectifs : à partir d’un exemple, les élèves distinguent le déclenchement d’une réaction immunitaire et l’importance de la réaction inflammatoire. Capacités –– Recenser, extraire et exploiter des informations, sur les cellules et les molécules impliquées dans la réaction inflammatoire aiguë. –– Observer et comparer une coupe histologique ou des documents en microscopie avant et lors d’une réaction inflammatoire aiguë. –– Observer la phagocytose par des cellules immunitaires (macrophages). –– Recenser, extraire et exploiter des informations, y compris expérimentales, sur les effets de médicaments antalgiques et anti-inflammatoires.

Précisions  : la description des récepteurs de l’immunité innée (PRR), des signaux de dangers et la connaissance des signatures des pathogènes (PAMP) sont hors programme. La mise en perspective évolutive du système immunitaire est signalée ; elle lie à cette thématique de sciences fondamentales une réflexion sur la santé, mais elle ne fait pas l’objet d’une argumentation particulière. • L’immunité adaptative Connaissances L’immunité adaptative complète l’immunité innée chez les vertébrés. Elle assure une action spécifique contre des motifs moléculaires portés par des agents infectieux ou des cellules anormales. Elle met en jeu des molécules et des cellules particulières, notamment les anticorps et les cellules qui les produisent. Associée à l’immunité innée, elle réussit le plus souvent à éliminer la cause du déclenchement de la réaction immunitaire. La réaction immunitaire adaptative doit prendre en compte une grande diversité d’agents pathogènes, leur variabilité et leur évolution. Cela soulève un paradoxe : pour lutter contre cette immense diversité d’agents immunogènes, elle devrait mettre en jeu beaucoup plus de gènes que n’en porte le génome humain. Des mécanismes particuliers engendrent des combinatoires immenses de gènes et de protéines composites notamment dans le cas des anticorps : –– recombinaison de segments de gènes exprimant les parties constantes et variables des chaînes lourdes et légères des immunoglobulines ; –– assemblage des chaînes lourdes et légères. 23

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Ces mécanismes aléatoires engendrent une diversité telle que tous les antigènes possibles sont en principe reconnaissables. Dans la diversité produite, une première sélection élimine ce qui est incompatible avec le soi, évitant des réactions immunitaires qui se déclencheraient contre des parties saines de l’organisme. Les cellules restantes de l’immunité adaptative circulent dans un état dormant dans le sang et dans la lymphe. Lors d’une deuxième phase de sélection, quelques-unes sont activées après une première rencontre avec un antigène particulier. Les phénomènes de sélection, d’amplification et de différenciation clonales qui s’ensuivent expliquent le délai de la réaction adaptative (plusieurs jours chez l’être humain). L’immunité adaptative met en place des cellules mémoire à longue durée de vie. Ces cellules permettent une réponse secondaire à l’antigène plus rapide et quantitativement plus importante qui assure une protection de l’organisme vis-à-vis de cet antigène. C’est le fondement de la vaccination. Le système immunitaire n’est pas un organe isolé dans l’organisme ; il est diffus et interagit avec les différentes parties du corps (cerveau, intestins, etc.).

Notions fondamentales : cellules présentatrices de l’antigène, lymphocytes B, plasmocytes, immunoglobulines (anticorps), lymphocytes T CD4, lymphocytes T auxiliaire, lymphocytes T CD8, lymphocytes T cytotoxiques ; sélection, amplification (expansion) et différenciation clonale. Objectifs  : le complexe majeur d’histocompatibilité (CMH) sera évoqué sans description détaillée. Par l’étude d’un cas d’une infection virale (par exemple la grippe), les élèves comprennent comment se mettent en place les défenses adaptatives et comment, en collaboration avec les défenses innées, elles parviennent à l’élimination du virus. Par cette étude, on signale le mode d’action du VIH. Capacités –– Recenser, extraire et exploiter des informations, y compris expérimentales, sur les cellules et les molécules intervenant dans l’immunité adaptative. –– Estimer le nombre et la diversité des cellules et des molécules nécessaires à l’immunité adaptative. Insister sur la notion de combinatoire. –– Concevoir et réaliser une expérience permettant de caractériser la spécificité des molécules intervenant dans l’immunité adaptative. –– Concevoir et réaliser des expériences permettant de mettre en évidence les immunoglobulines lors de la réaction immunitaire.

Précisions : le détail moléculaire de la présentation de l’antigène aux lymphocytes T et celui des mécanismes de recombinaison ne sont pas attendus. Les différentes classes d’immunoglobulines ne sont pas au programme. • L’utilisation de l’immunité adaptative en santé humaine Connaissances La vaccination préventive induit une réaction immunitaire contre certains agents infectieux. L’injection de produits immunogènes mais non pathogènes (particules virales, virus atténués, etc.) provoque la formation d’un réservoir de cellules mémoire dirigées contre l’agent d’une maladie. L’adjuvant du vaccin aide à déclencher la réaction innée indispensable à l’installation de la réaction adaptative. Cette vaccination préventive améliore les capacités de défense d’un individu dont le phénotype immunitaire est modelé au gré des expositions aux antigènes. Elle peut être appliquée à tout âge. Dans une population, cette vaccination n’offre une protection optimale qu’au-delà d’un certain taux de couverture vaccinale, qui bloque la circulation de l’agent infectieux au sein de cette population. Cela résulte du fait que l’on peut porter et transmettre l’agent infectieux sans être soi-même malade (porteur sain). 24

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Des procédés d’immunothérapie (vaccins thérapeutiques et anticorps monoclonaux) ont été développés pour lutter contre certains types de cancer, et de nombreux sont en cours de développement. C’est un champ de recherche aux implications sociétales importantes.

Objectifs : les élèves découvrent comment l’humanité utilise ses connaissances de l’immunité dans le domaine de la santé. La différence entre la vaccination, préventive, et l’immunothérapie (dont les vaccins thérapeutiques) est soulignée. Les élèves acquièrent les connaissances fondamentales sur la base biologique de la stratégie vaccinale préventive qui permet la protection de l’individu vacciné et de la population. On indique que l’adjuvant du vaccin prépare l’organisme au déclenchement de la réaction adaptative liée au vaccin, un peu comme la réaction inflammatoire prépare la réaction adaptative naturelle. Capacités –– Recenser, extraire et exploiter des informations historiques sur le principe de la vaccination et ses succès contre de grandes pandémies (variole, poliomyélite, etc.). –– Recenser, extraire et exploiter des informations sur la composition d’un vaccin et sur son mode d’emploi (rappel de vaccination). –– Modéliser et calculer le taux de couverture vaccinale efficace pour un vaccin (par exemple : rougeole). –– Montrer que certains vaccins permettent de lutter indirectement contre des cancers (hépatite B, HPV). –– Prendre conscience que la vaccination est une démarche dans laquelle le bénéfice collectif est très largement supérieur au risque vaccinal individuel. –– Recenser, extraire et exploiter des informations sur la manière dont sont obtenus des anticorps monoclonaux. –– Recenser, extraire et exploiter des informations sur l’utilisation d’anticorps monoclonaux dans le traitement des cancers (par exemple  : sein et colon), y compris dans ses composantes économiques.

Précisions : la description exhaustive des types de vaccins, de leur composition et des pratiques vaccinales n’est pas attendue.

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Chapitre 1 : Les divisions des cellules eucaryotes

CHAPITRE 1  Les divisions des cellules eucaryotes

Manuel p. 16-39

I. Introduction Programme Connaissances Les divisions cellulaires des eucaryotes Les chromosomes sont des structures universelles aux cellules eucaryotes (organismes dont les cellules ont un noyau). À chaque cycle de division cellulaire, chaque chromosome est dupliqué et donne un chromosome à deux chromatides, chacune transmise à une des deux cellules obtenues. C’est la base de la reproduction conforme. Activités 1 et 2 Chez les eucaryotes, les chromosomes subissent une alternance de condensation-décondensation au cours du cycle cellulaire. Activité 1 La division cellulaire mitotique est une reproduction conforme. Toutes les caractéristiques du caryotype de la cellule parentale (nombre et morphologie des chromosomes) sont conservées dans les deux cellules filles. Activité 2 La méiose conduit à quatre cellules haploïdes, qui ont, chacune, la moitié des chromosomes de la cellule diploïde initiale. Activité 3 La réplication de l’ADN Chaque chromatide est constituée d’une longue molécule d’ADN associée à des protéines structurantes. Activité 1 Au cours de la phase S, l’ADN subit la réplication semi-conservative. Il s’agit de la formation de deux copies qui, en observant les règles d’appariement des bases, conservent chacune la séquence des nucléotides de la molécule initiale. Ainsi, les deux cellules provenant par mitose d’une cellule initiale possèdent exactement la même information génétique. La succession de mitoses produit un ensemble de cellules, toutes génétiquement identiques que l’on appelle un clone. Activité 4 Notions fondamentales Diploïde, haploïde, méiose, phases du cycle cellulaire eucaryote : G1, S (synthèse d’ADN), G2, mitose (division cellulaire), fuseau mitotique ou méiotique. Réplication semi conservative, ADN polymérase, clone. Objectifs Savoir comment relier l’échelle cellulaire (mitose, chromosomes) à l’échelle moléculaire (ADN). Capacités Les divisions cellulaires des eucaryotes →→ Réaliser et observer des préparations au microscope de cellules eucaryotes en cours de division, colorées de manière à faire apparaître les chromosomes. Activités 2 et 3 →→ À partir d’images, réaliser des caryotypes à l’aide d’un logiciel et les analyser. Activité 1 →→ Recenser, extraire et exploiter des informations permettant de caractériser les phases d’un cycle cellulaire eucaryote. Activité 1 La réplication de l’ADN →→ Présenter une démarche historique sur l’identification ou la composition chimique des chromosomes. Activité 4 →→ Calculer la longueur totale d’une molécule d’ADN dans un chromosome et de l’ensemble de l’ADN d’une cellule humaine ; comparer avec le diamètre d’une cellule. Calculer la longueur d’ADN de l’ensemble des cellules humaines. Activité 1 27

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→→ Exploiter les informations d’une expérience historique ayant permis de montrer que la réplication est un mécanisme semi-conservatif. Activité 4 →→ Utiliser des logiciels ou analyser des documents permettant de comprendre le mécanisme de réplication semi conservative. Activité 4 →→ Observer des images montrant des molécules d’ADN en cours de réplication. →→ Calculer la vitesse et la durée de réplication chez une bactérie (E. coli) et chez un eucaryote. Activité 4 →→ Concevoir et/ou réaliser une réaction de PCR (amplification en chaîne par polymérase) en déterminant la durée de chaque étape du cycle de PCR. Calculer le nombre de copies obtenues après chaque cycle. Activité 5 Précisions Le fuseau mitotique est évoqué mais une étude exhaustive n’est pas attendue. L’étude exhaustive des anomalies caryotypiques (aneuploïdies) n’est pas attendue. Les brassages génétiques inter et intra chromosomique sont étudiés en classe terminale. Les points suivants sont hors programme : machinerie enzymatique de synthèse des nucléotides et de réplication semi-conservative. Le détail des constituants des chromatides autre que l’ADN n’est pas attendu.

Commentaires pédagogiques Au cours du cycle 4, les élèves ont petit à petit découvert l’échelle cellulaire d’un point de vue structural et fonctionnel. En fin de cycle 4, les élèves ont eu une première approche des divisions cellulaires : mitose et méiose sont connues dans leur mécanisme général. De plus, la boîte noire de l’information génétique a été levée en classe de Seconde où la molécule d’ADN, déjà connue des élèves de 3e, est dévoilée par sa composition chimique, sa structure. Ainsi à partir de tous ces acquis, le 1er chapitre de ce thème dévoile le comportement des chromosomes (activité 1) au cours des deux types de divisions cellulaires (activités 2 et 3), qui, associé aux mécanismes de la réplication de la molécule d’ADN (activité 4), permet aux élèves de comprendre la transmission de l’information génétique. La connaissance de ces mécanismes de la réplication permet des applications techniques (activité 5).

BIBLIOGRAPHIE ◗◗ Sites internet -- Site qui permet de revoir les notions fondamentales de biochimie à destination des enseignants : http://biochimej.univ-angers.fr/Page2/COURS/Zsuite/3BiochMetab/3BiochMetabIntro/ 1BiochMetabIntro.htm -- Site de l’Insee : www.insee.fr

• Compétences

II. Corrigés

Compétences

Activités

p. 18-27

Activité 1 Les chromosomes au cours de la vie des cellules • Durée estimée : 30 minutes • Objectif : Suivre l’évolution des chromosomes au cours de la vie d’une cellule.

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Comprendre le lien entre les phénomènes naturels et le langage mathématique.

Utiliser des outils et mobiliser des méthodes pour apprendre

Extraire des informations à partir de documents en citant ses sources à des fins de connaissance et pas seulement d’information.

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Exploitation des documents La comparaison des caryotypes d’une cellule somatique et de cellules germinales (docs. 1 et 2) permet aux élèves de distinguer les cellules haploïdes et les cellules diploïdes. Un encart sur la découverte du nombre exact de chromosomes dans les cellules humaines permet de s’engager dans l’histoire des Sciences. Ces deux documents permettent également de relier la mitose aux cellules somatiques et la méiose aux cellules germinales. Un zoom à l’échelle moléculaire est réalisé grâce au document  3. Les informations placées dans les encadrés violets permettent de faire calculer aux élèves la longueur de la molécule d’ADN formant le chromosome 1. Un travail peut être fait avec les autres chromosomes et ainsi avoir une idée de la longueur totale de la molécule d’ADN dans une cellule humaine. La notion de compaction de l’ADN découle de la comparaison de la longueur totale de l’ADN avec le diamètre du noyau d’une cellule. Les élèves peuvent être amenés à comparer le diamètre de la double hélice lorsque la chromatine est condensée (1 400 nm) avec celui de la chromatine décondensée (300  nm) inscrit dans le document  4. Celui-ci présente les différentes étapes de la vie d’une cellule : interphase et mitose. La notion de durée d’un cycle cellulaire complète les caractéristiques des cellules. Corrigés du guide de travail • La mitose d’une cellule, c’est-à-dire sa division, marque le début de la vie d’une cellule ainsi que sa fin. En effet, la théorie cellulaire (notion traitée en Enseignement Scientifique 1re) dit qu’une cellule provient de la division d’une autre cellule. • Un caryotype de cellules somatiques présente des paires de chromosomes, la cellule est dite diploïde, alors que le caryotype de cellules germinales montre un exemplaire de chaque chromosome, la cellule est dite haploïde. De plus, l’état de condensation des chromosomes varie selon la phase du cycle cellulaire : en interphase, la molécule d’ADN est décondensée alors qu’en cours de division, la molécule d’ADN est fortement condensée (c’est pour cela que les chromosomes sont visibles au microscope lors des divisions cellulaires). • Le chromosome 1 comporte 245 522 847 paires de bases. Or, on sait que 10,5 paires de bases correspondent à une longueur d’ADN de 3,4 nm. L = 245 522 847×3,4 = 79 502 636 nm, 10,5     soit 79,5 mm ou 7,95 cm.

Pour la totalité du génome, la longueur totale de la molécule d’ADN est de : 3,2×109 ×3,4 L = = 1,03 × 109 nm soit 1 mètre. 10,5 Une cellule humaine a un diamètre de 10 à 100 µm (10 à 100 × 10–6 m). Synthèse :

Centromère

Une chromatide

M Mitose

G2

max. min. Condensation

G1

nulle S

Interphase

Protéine

Filament d’ADN

Activité 2 La reproduction conforme des cellules somatiques par mitose • Durée estimée : 1 heure 30 • Objectif : Comprendre les mécanismes permettant à une cellule de se diviser en conservant son caryotype. 29

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• Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Raisonner avec rigueur. Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Concevoir, créer, réaliser

Mettre en œuvre un protocole.

Utiliser des outils et mobiliser des méthodes pour apprendre

Apprendre à organiser son travail.

Exploitation des documents Les cellules sont en permanence en division. L’activité 2 étudie l’un des deux types de division : la mitose. Les cellules issues de la division de la cellule mère sont identiques entre elles et à la cellule initiale. Les mécanismes mis en jeu sont explicités ici. D’abord, une préparation microscopique peut être réalisée par les élèves ou sinon les observations peuvent être faites à partir des lames du commerce. Les cellules en division sont particulièrement visibles au niveau des zones de croissance. Les méristèmes racinaires sont des zones facilement observables. L’activité précédente a révélé que la chromatine est condensée uniquement durant les périodes de divisions. Dès lors, il est intéressant de faire réfléchir les élèves sur les caractéristiques leur permettant de reconnaître une cellule en division d’une cellule en interphase. L’activité se prête à de nombreuses compétences évaluées en ECE : réaliser une préparation microscopique, observer au microscope, faire une acquisition de photo, légender une photo, utiliser un logiciel de mesure (Mesurim pour déterminer le diamètre des chromosomes). Chaque élève peut se centrer sur une des étapes de la mitose, qu’il pourra identifier à l’aide du document 2. Une restitution à la classe permet de mettre en ordre les différentes étapes. Le document 3 présente une mitose d’une cellule animale et aborde la séparation du cytoplasme. Enfin, la séparation des chromatides sœurs est expliquée par l’existence du fuseau mitotique. Sur le cliché des documents 3 et 4, les chromosomes apparaissent en bleu sombre, le centromère est en rouge sur le document 4 et le cytoplasme pour le document  3 et les fibres du fuseau sont en vert. Les étapes physiques sont ensuite à relier aux variations de la quantité d’ADN (doc.  5). L’élève constate alors que la quantité d’ADN est divisée par deux au moment de la mitose, il doit associer ce partage à la ségrégation des chromatides.

Attention l’interphase comprend les phases G1, S et G2 ; le cycle cellulaire regroupe l’interphase et la mitose. Corrigés du guide de travail • Les cellules où les chromosomes sont visibles sont en cours de division cellulaire (mitose). La position des chromosomes dans la cellule permet de différencier les différentes étapes de la mitose (doc.  2). La photo a montre des chromosomes visibles à deux chromatides, ils sont éparpillés dans le noyau, il s’agit de la prophase. La photo b montre des chromosomes alignés à l’équateur de la cellule, c’est la métaphase. La photo c révèle des chromatides séparées et en train de migrer vers un pôle de la cellule, c’est l’anaphase. Enfin la photo d montre deux lots de chromosomes maintenant difficilement différenciables, une membrane est en cours de formation séparant les deux cytoplasmes. C’est la télophase. • Les cellules animales, tout comme les cellules végétales, se divisent par mitose. Les étapes présentées par les quatre clichés d’une cellule animale en cours de mitose sont identiques aux étapes d’une cellule végétale. La cytodiérèse diffère cependant : un étranglement du cytoplasme permet de répartir le cytoplasme d’une cellule animale alors que chez les cellules végétales, la membrane (phragmoplaste) s’assemble d’abord au milieu de la cellule et s’étend vers les bords. • Au cours d’un cycle cellulaire, la quantité d’ADN double en phase S de l’interphase, elle passe de Q à 2Q, c’est la phase de synthèse de l’ADN (activité 1) : les chromosomes à une chromatide en G1 voient leur ADN dupliqué et possèdent alors deux chromatides sœurs à l’issue de la phase S, en G2. Au début de la mitose, en prophase et métaphase, la quantité d’ADN est toujours de 2Q, les chromosomes se condensent. Lors de l’anaphase, les chromatides sœurs se séparent et migrent vers un pôle opposé, cela correspond au moment où la quantité d’ADN est divisée par deux. En télophase, chaque cellule fille possède Q ADN, soit des chromosomes à une chromatide. Synthèse : Les différents évènements cellulaires de mitose permettent une séparation équitable des chromosomes et du contenu cytoplasmique afin d’aboutir à deux cellules filles identiques entre elles et à la cellule-mère initiale. Les chromosomes se condensent en prophase et la membrane nucléaire disparaît temporairement permettant aux fibres du fuseau de s’accrocher

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aux centromères des chromosomes doubles. L’alignement des chromosomes en métaphase est alors possible, puis les fibres du fuseau raccourcissent, provoquant la séparation des chromatides sœurs identiques, chacune vers un pôle opposé de la cellule, c’est l’anaphase. Puis le cytoplasme et son contenu (mitochondries, protéines, etc.) sont séparés par étranglement (cellule animale) ou par formation d’une nouvelle membrane plasmique (cellule végétale). Les chromosomes se décondensent alors (télophase) ce qui achève le processus de mitose, chacune des deux cellules entre en interphase.

Activité 3 La formation des cellules germinales : la méiose • Durée estimée : 70 minutes • Consigne  : Expliquer comment, chez le Lys, la méiose permet de passer d’une cellule germinale mère diploïde aux gamètes haploïdes, appelés cellules spermatiques, contenus dans les grains de pollen. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Modéliser.

Concevoir, créer, réaliser

Mettre en œuvre un protocole.

Pratiquer des langages

Utiliser des outils numériques. Utiliser des logiciels d’acquisition.

Utiliser des outils et mobiliser des méthodes pour apprendre

Coopérer et collaborer dans le cadre de démarches de projet.

Suggestions matériel La mise en œuvre complète du protocole est réalisable par les élèves. Le matériel frais utilisé peut être par exemple de l’ail sauvage (Allium ursinum) encore appelé ail aux ours. La récolte des jeunes anthères (spathes) a lieu début mars selon les régions, à conserver dans de l’alcool jusqu’au moment de la dissection sous la loupe binoculaire. La coloration peut aussi se faire à l’orcéine acétique. Exploitation possible des documents avec vos élèves –– Repérer le nombre de cellules formées à l’issue d’une méiose. –– Relier le nombre de cellules issues de la méiose aux variations de la quantité d’ADN (doc. 2). –– Décrire les caractéristiques des chromosomes (état de condensation, nombre, double ou simple,

etc.) pour chaque étape de la méiose. La réponse est accompagnée d’un croquis. Chaque croquis peut constituer le story-board de l’animation. Connaissances utiles –– Les différentes phases de la mitose : prophase – métaphase – anaphase – télophase. –– En anaphase, les chromatides sœurs se séparent et migrent vers un pôle opposé de la cellule. –– Les cellules germinales sont des cellules haploïdes (activité 1). Propositions de mise en œuvre →→ Possibilité de demander aux élèves de proposer une hypothèse explicative : –– la mitose ayant été étudiée auparavant, le graphique du document 2 peut constituer une situation d’appel permettant aux élèves de proposer une hypothèse expliquant les variations observées ; –– puis le protocole de coloration des zones précurseurs de gamètes est mis en œuvre ; –– enfin la modélisation permet de valider ou non leur hypothèse. →→ Possibilité de vérifier des conséquences vérifiables : –– les observations microscopiques sont réalisées et constituent la situation d’appel : « comment expliquer la présence de figure à 4 cellules ? » ; –– les élèves proposent des explications et on leur demande de tracer le graphique des variations de la quantité d’ADN si leur proposition est validée (conséquences vérifiables) ; –– la mise en œuvre de l’animation permet de consolider la compréhension des mécanismes de la méiose.

Activité 4 La réplication de l’ADN • Durée estimée : 30 minutes • Objectif  : Expliquer comment les mécanismes de réplication permettent une conservation de l’information génétique portée par la molécule d’ADN initiale. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Communiquer et utiliser le numérique

Communiquer sur ses résultats en argumentant.

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Exploitation des documents Les activités précédentes ont mis en évidence la nécessité d’une copie de l’ADN afin de maintenir les caractéristiques du caryotype. L’activité 4 permet de démontrer historiquement d’abord les mécanismes moléculaires simples de la réplication. Ainsi, après la découverte de la structure de l’ADN par J. Watson, R. Franklin, F. Crick en 1953, des hypothèses ont été émises quant à sa réplication. Les expériences de Taylor, Woods et Hughes (doc.  2) en 1957 ont quatre ans plus tard validé l’hypothèse émise. En 1958, les travaux expérimentaux de M. Meselson et F. Stahl entérinent le modèle semi-conservatif de la réplication de l’ADN. Les mécanismes moléculaires sont envisagés par le document 3, notamment d’un point de vue mathématique où des calculs de durée de réplication permettent de mettre en évidence l’action simultanée des ADN polymérases. Corrigés du guide de travail • Les bases azotées A, T, C et G contiennent de l’azote. Ainsi, si le milieu contient de l’azote lourd 15 N, alors le brin d’ADN nouvellement synthétisé sera plus « lourd » que le brin initial. Si le milieu contient de l’azote léger 14N, alors le brin d’ADN nouvellement synthétisé sera plus léger que le brin initial. Pour les 3 hypothèses proposées, le tableau ci-dessous présente les résultats attendus. — Voir le tableau en bas de page. — Après un premier cycle cellulaire sur un milieu contenant de l’azote léger, les résultats permettent d’éliminer l’hypothèse du modèle conservatif. Après un 2e cycle, deux bandes sont obtenues  : l’une d’un ADN léger (d = 1,710) l’autre d’un ADN intermédiaire (d  =  1,717). Ce résultat valide le modèle semi-conservatif. • Meselson et Stahl ont utilisé le même raisonnement que J. Taylor et ses collègues. En 1957, Taylor utilise un marquage des molécules d’ADN nouvelModèle conservatif

lement synthétisées par la radioactivité. Le tritium est un isotope radioactif de l’hydrogène, élément chimique présent dans la plupart des molécules. Son incorporation est visualisable par autoradiographie. Les chercheurs incubent des racines de fèves sur un milieu contenant des précurseurs radioactifs durant un cycle cellulaire (photo a). On observe que les deux chromatides sont marquées par la radioactivité. En effet, les 2 brins d’ADN nouvellement synthétisés sont présents dans chacune des chromatides sœurs, d’après le modèle semi-conservatif. Puis, les racines sont incubées en présence d’un milieu dépourvu en précurseurs radioactifs. Chaque chromosome contient initialement de l’ADN hybride (1 brin non radioactif et 1 brin radioactif). Ainsi, selon le modèle semi-conservatif, les brins nouvellement synthétisés seront dépourvus de précurseurs radioactifs. Ainsi une chromatide sur les deux sera entièrement dépourvue de radioactivité alors que la chromatide sœur sera hybride (1 brin radioactif et 1 brin non radioactif). Le cliché montre des points noirs sur une seule chromatide du chromosome bichromatidien. La photo c montre que la moitié des chromosomes sont marqués sur une chromatide, l’autre moitié n’est pas du tout marquée. En effet, avec un nouveau cycle cellulaire sur un milieu sans précurseurs radioactifs, les seuls brins radioactifs sont ceux ayant incorporés le tritium au cycle 1. Synthèse : Pendant la phase S de l’interphase, un complexe enzymatique appelé ADN polymérase se fixe sur la double hélice de l’ADN et assemble un nouveau brin par la complémentarité des bases azotées à partir des informations du brin initial. Cette réplication semi-conservative aboutit à la synthèse d’un chromosome à deux chromatides sœurs identiques (= portant la même information génétique). — Voir schéma page 31 du manuel — Modèle semi-conservatif

Modèle dispersif

Principe

Les 2 brins se séparent, servent de modèle. Les 2 brins nouvellement synthétisés s’associent, les 2 brins initiaux restent associés.

Les 2 brins se séparent, servent de modèle. Les chromatides sœurs sont composées d’un brin initial et d’un brin nouvellement synthétisé.

Les brins d’ADN à l’issue de la réplication sont composites : des fragments d’ADN initial, des fragments d’ADN nouvellement synthétisés.

Résultats attendus après 1 cycle sur 14N

1 bande d’ADN lourd 1 bande d’ADN léger

1 bande d’ADN intermédiaire

1 bande d’ADN intermédiaire

1 bande d’ADN lourd 1 bande épaisse d’ADN léger

1 bande d’ADN intermédiaire 1 bande d’ADN léger

1 bande d’ADN intermédiaire mais de densité plus faible que la précédente

Résultats attendus après 2 cycles sur 14N

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Activité 5 Les propriétés de la réplication de l’ADN au service de la recherche en génétique • Durée estimée : 50 minutes • Objectif : Comprendre le principe et les applications de la technique de PCR. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Raisonner avec rigueur.

Concevoir, créer, réaliser

Mettre en œuvre un protocole.

Pratiquer des démarches scientifiques

Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Utiliser des outils et mobiliser des méthodes pour apprendre

Apprendre à organiser son travail.

Exploitation des documents Les mécanismes moléculaires de la réplication ont été étudiés et compris (activité  4). Les connaissances peuvent alors être réinvesties (et vérifiées) dans une application biotechnologique majeure du xxe  siècle  : la Polymerase Chain Reaction ou PCR. Les documents 1, 2 et 3 présentent un protocole réalisable en classe. Le lien vidéo retrace les différentes étapes du protocole. Celui-ci permet de mettre en évidence le rôle de la Taq polymérase en comparant les tubes 2 et 3. La comparaison des tubes 1 et 2 permet de comprendre la répétition des cycles d’amplification. Enfin, le document 4 propose d’exploiter le résultat d’une PCR réalisée dans un cas concret de diagnostic prénatal. Corrigés du guide de travail • Un fragment d’ADN doit être amplifié (produit à l’identique en très grande quantité). À 95  °C (étape  1), les deux brins de la double hélice du fragment d’ADN se séparent. Dans le tube, une courte séquence de nucléotides complémentaire au fragment à amplifier est versée. À 55-65 °C, les amorces s’hybrident avec les fragments (étape 2), puis à 72  °C l’enzyme Taq polymérase assemble les nucléotides libres de façon complémentaire à la séquence à amplifier. Puis les trois étapes sont répétées afin d’obtenir un très grand nombre de molécules d’ADN d’intérêt. • La réplication étant semi-conservative, on peut calculer le nombre théorique de copies de l’ADN initial.

Molécules obtenues Nombre de cycles

Fragment d’ADN d’intérêt

Molécules d’ADN de taille variable

Total

1

0

2

2

2

0

4

4

3

2

6

8

n

2n – 2n

2n

2n

NB : Il est intéressant que les élèves comprennent que les deux premiers cycles ne permettent pas d’obtenir des fragments d’intérêt du fait du positionnement des amorces sur des brins anti parallèles.

• La découverte de l’ADN polymérase stable à haute température (100 °C) a permis de dupliquer l’ADN à une température (94 °C) où l’ADN est dénaturé (c’est-à-dire où les liaisons hydrogène qui associent les deux brins de la double hélice sont rompues). Synthèse : Région de l’ADN à amplifier

Étape 1 : dénaturation de l’ADN à 95 °C

Étape 2 : hybridation des amorces à 55 °C

Taq polymérase

Étape 3 : polymérisation à l’aide de la Taq polymérase à 72 °C

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S’entraîner

p. 33-35

7. Comparer des fuseaux mitotiques • Sur le cliché de gauche, on n’observe que le fuseau mitotique entre les deux pôles de la cellule. Sur la photo de droite, on observe trois centres d’organisation d’où partent les protéines du fuseau. Cette disposition est anormale. • Les protéines du fuseau se fixent sur les centromères des chromosomes, puis leur raccourcissement (dépolymérisation) permet de tirer chaque chromatide sœur vers un pôle opposé de la cellule, l’information génétique est ainsi répartie en deux groupes identiques.

8. Les chrysanthèmes : une espèce polyploïde Toutes les espèces de chrysanthèmes dérivent d’une espèce possédant un caryotype 2n = 18. L’espèce qui possède 36 chromosomes a un caryotype 2 × 2n = 18 × 2 = 36 chromosomes, c’est une espèce tétraploïde qui possède chaque chromosome en 4 exemplaires. Lors de la méiose, une cellule germinale n’a pas réalisé la séparation des chromosomes homologues lors de l’anaphase 1 ou encore les chromatides sœurs se sont disjointes lors de l’anaphase 2 de la méiose mais le cytoplasme ne s’est pas séparé. Ceci provoque ainsi une cellule germinale avec 2 exemplaires de chaque chromosome. Une fécondation de ce gamète avec un gamète qui possède la même anomalie mènerait à un organisme tétraploïde. L’espèce qui possède 54 chromosomes a un caryotype de 3 × 2n = 18 × 3 = 54 chromosomes, c’est une espèce hexaploïde. L’espèce qui possède 72 chromosomes a un caryotype de 4 × 2n = 18 × 4 = 72 chromosomes, c’est une espèce octoploïde.

9. L’index mitotique pour déterminer les cellules cancéreuses Les cellules cancéreuses sont des cellules qui se divisent rapidement. Ainsi la probabilité qu’elles Nombre de cellules en mitose

soient en mitose est plus importante que chez des cellules saines. Le calcul de la proportion de cellules en mitose par rapport à la population générale de cellules, appelé index mitotique, est donc important dans les populations de cellules cancéreuses. — Voir le tableau en bas de page. — On peut alors calculer le taux de croissance afin de déterminer le stade cancéreux de l’échantillon suspecté. Taux de croissance = 0,13/0,098 = 1,32. Ce taux de croissance correspond à un stade de grade II, pré-cancéreux.

10. La cytométrie en flux La quantité d’ADN varie entre 1 et 2 UA. Les nombreuses cellules (M1) qui possèdent une quantité d’ADN égale à 1 UA sont en phase G1 de l’interphase (chromosome à une chromatide). La population M3 possède une quantité d’ADN deux fois plus importante que la population M1, les chromosomes sont donc doubles, les cellules sont donc en phase G2 de l’interphase. Enfin les cellules de la population M3 ont une quantité intermédiaire d’ADN comprise en 1 et 2  UA, ces cellules sont en cours de division, en mitose.

11. Le cycle cellulaire chez la tortue • Un cycle cellulaire correspond au temps qui sépare deux mitoses, moment où la quantité d’ADN d’une cellule est divisée par deux. Ici on peut dire qu’un cycle cellulaire dure 24  heures et que la phase S dure 10 heures. • Les fibroblastes mis en culture font deux cycles cellulaires normaux, de 0 à 48 h. Le 3e cycle débute avec G1 puis la phase de synthèse de l’ADN est visualisable de 60 à 70  heures. Cependant, la quantité n’est pas divisée par deux. Les chromatides ont été séparées car le cycle cellulaire se poursuit et une nouvelle phase S se met en place. On peut donc supposer que les chromatides sœurs ont bien été séparées par le fuseau mais qu’elles

Nombre de cellules total

Index mitotique

Tissu témoin zone 1

30 + 42 + 10 + 19 = 99 cellules

1 000

IM = 99/1 000 = 0,099

Tissu témoin zone 2

25 + 38 + 15 + 19 = 97 cellules

1 000

IM = 97/1 000 = 0,097

Tissu du patient zone 1

29 + 32 + 9 + 18 = 88 cellules

800

IM = 88/800 = 0,11

Tissu du patient zone 2

41 + 36 + 24 + 34 = 135 cellules

900

IM = 135/900 = 0,15

Moyenne IM moyen = 0,098 IM moyen = 0,13

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Chapitre 1 : Les divisions des cellules eucaryotes

Ici on s’intéresse aux cellules de levures. On observe que durant l’interphase (doc. 1) le volume moyen de la cellule double en passant de 35 à 70  μm3, et que la masse moyenne de la cellule double également en passant de 4 à 8 pg. De plus, durant la phase G1, la quantité de lipides et de protéines augmente par palier mais de façon assez importante, on passe de 1,5 à 4 UA. On peut donc en conclure que les phases G1 et G2 sont des moments où les synthèses de protéines et de lipides sont importantes jusqu’à doubler le volume et la masse de la cellule. On peut alors suggérer qu’en phase G2, qui précède la division, la cellule double la quantité d’organites afin de partager équitablement le cytoplasme lors de la cytodiérèse. En G1, phase post-mitotique, la cellule assure son fonctionnement, pour cela elle produit des protéines en grande nécessaire.

n’ont pas été réparties dans deux cellules. Cela entraîne un doublement du nombre de chromosomes (polyploïdisation).

12. La bromodésoxyuridine (BrdU) • On constate que les chromosomes observés en métaphase après leur 2e cycle cellulaire incubés sur un milieu avec BrdU possèdent une chromatide jaune vif (avec un seul brin d’ADN ayant incorporé BrdU) et une chromatide grise (avec les deux brins d’ADN ayant incorporé BrdU). — Voir le schéma en bas de page. —

13. Le rôle des phases G1 et G2 Les phases G1 et G2 font partie de l’interphase et encadrent le moment de la réplication de l’ADN. On cherche à déterminer les évènements qui se déroulent durant ces deux périodes pré et postmitotiques. Jeune plant en croissance

Les chromosomes issus du cycle cellulaire ne constituent que la moitié de la molécule d’ADN mère a b

Milieu de culture avec de la thymine T ou avec BrdU = T* A G A A T C G T G

T C interphase T Phase S T A milieu avec T* G séparation des brins C de la molécule A d’ADN par l’ADN C

polymérase. Chaque brin sert de matrice. (1)

A T* G C A T* A T* T A C G G C T A G C

A G A A *T C G *T G

T C T T A G C A C

A T* G C ou A T* A T* T A C G G C T A G C

mitose Télophase séparation des chromatides sœurs de chaque chromosome (2)

A G A A *T C G *T G

T C T T A G C A C

A T* G C A T* A T* T A C G G C T A G C

interphase Phase S milieu avec T* (1)

1er CYCLE CELLULAIRE

A G A A *T C G *T G

T* C T* T* A G C A C

mitose Télophase (2)

2e CYCLE CELLULAIRE Observation faite après coloration au GIEMSA Phase S

Observation faite après coloration au GIEMSA b a

A T* G C A T* A T* T A C G G C T A G C

A G A A T* C G T* G

T* C T* T* A G C A C

La moitié des chromosomes possède une seule chromatide avec BrdU ( b ), l’autre moitié ( a ) possède ses deux chromatides avec BrdU sur ses deux brins.

milieu avec T* (1)

A G A A T* C G T* G

T* C T* T* A G C A C

A G A A T* C G T* G

T* C T* T* A G C A C

Phase S milieu avec T* (1)

A G A A T* C G T* G

T* C T* T* A G C A C

A T* G C A T* a A T* T A C G G C T A G C

ou b

3e CYCLE CELLULAIRE

35

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Livre du professeur – SVT 1re

Vers le bac

p. 36-38

variété la plus consommée en Europe, la banane Cavendish.

14. Les premières divisions cellulaires chez l’embryon de xénope

La cellule-œuf de xénope mesure environ 1,4 mm (doc.  1). Cette taille semble conservée au cours des 4 premières divisions cellulaires  : la cellule-œuf passe au stade 16 cellules. Ainsi le volume d’une cellule de l’embryon au stade 16 cellules représente 1/16 du volume de la cellule-œuf de départ. Le suivi de la quantité d’ADN au cours du temps (doc. 2) au sein d’une cellule révèle : –– une période où la quantité d’ADN double (de Q à 2Q), c’est la réplication, les chromosomes à 1 chromatide sont dupliqués par l’ADN polymérase, ils possèdent à l’issue de la réplication deux chromatides sœurs identiques ; –– une période où la quantité d’ADN est divisée par 2 (de 2Q à Q), c’est la mitose, il y a séparation des deux chromatides sœurs, chacune migrant vers une cellule fille différente. Les phases G1 et G2 sont absentes lors du développement embryonnaire. Or, ce sont des phases de croissance cellulaire (doublement du nombre de mitochondries, production de protéines, de lipides, etc.). Le volume du cytoplasme double après les phases G1 et G2 en préparation aux mitoses. En présence des phases G1 et G2, le volume des deux cellules filles est identique à celui de la cellule-mère. Ici, l’absence des phases de croissance du contenu cytoplasmique G1 et G2 lors du cycle cellulaire explique la diminution de la taille des cellules lors des premiers stades du développement embryonnaire du Xénope.

15. La polyploïdisation des plantes cultivées • Les plantes cultivées sont le plus souvent des espèces rendues polyploïdes par l’être humain. On cherche à comparer les caractéristiques de la banane sauvage Musa acuminata à celles de la

Phénotype

Longueur du fruit

Génotype

On s’intéresse ici aux premières divisions embryonnaires : après la fécondation et la fusion du noyau du spermatozoïde avec le noyau de l’ovocyte, la cellule-œuf est formée. Elle constitue la première cellule d’un nouvel organisme. S’il est pluricellulaire alors cette cellule-œuf entre en divisions successives de 30 minutes pour former les différents tissus de l’être vivant.

Musa aciminata

Couleur de la « peau » (épicarpe)

Organisation de la « chair » du fruit (mésocarpe)

Formule chromo­ somique

Banane Cavendish

Fruit petit

Fruit long

Jaune avec des marques noires

Jaune uniforme

3 zones (loges carpellaires) contenant des grosses graines noires réparties dans tout le fruit

3 zones (loges carpellaires) contenant des ovules non fécondés de petite taille et localisés au centre du fruit (ligne en CL)

22 chromosomes (2n = 22)

33 chromosomes (3n = 33)

• L’espèce cultivée est une espèce triploïde (chaque chromosome est présent en 3 exemplaires). Pour obtenir ce type de variété, des croisements ont été réalisés entre un gamète de formule chromosomique normal n = 11 chromosomes avec un gamète où la séparation des homologues (en anaphase 1) ou des chromatides (en anaphase  2) ne s’est pas produite. L’obtention d’une cellule-œuf triploïde est ainsi faite.

16. Les zones de croissance chez les végétaux La croissance d’un tissu peut se faire par la prolifération des cellules (mitoses successives) et/ou par allongement des cellules. On cherche à identifier au niveau des racines les zones participant à la croissance des racines. Pour cela, on peut comparer la taille des cellules des zones a, b et c à l’aide d’un logiciel de mesure afin d’identifier les cellules les plus grandes (zone d’allongement). On peut également compter le nombre de cellules en mitose sur une surface donnée au sein de chaque zone a, b et c de la racine. On peut ainsi déterminer l’index mitotique de chaque zone et identifier la zone où les divisions sont plus fréquentes (zone de multiplication cellulaire). Les résultats doivent montrer que les cellules de la zone c sont plus allongées que celles des deux autres zones. La zone c est donc une zone de croissance par allongement cellulaire.

36

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Chapitre 1 : Les divisions des cellules eucaryotes

Les cellules de la zone b ont un index mitotique plus fort que celles des deux autres zones. La zone b est donc une zone de croissance par division cellulaire. Pour information, la zone a correspond à la coiffe de la racine, zone protectrice.

17. Les mécanismes de la réplication (Introduction qui présente brièvement le sujet) La réplication est le processus qui conduit à la synthèse de deux molécules d’ADN identiques à partir d’une molécule d’ADN initiale. Elle se déroule au cours de la phase S de l’interphase d’un cycle cellulaire. (Problématique) Nous allons montrer par quels mécanismes se déroule la réplication de l’ADN. (Réponse à la problématique qui s’appuie sur les résultats expérimentaux – docs.  1 et 2 – et sur les connaissances) Durant la phase S du cycle cellulaire, chaque molécule d’ADN qui constitue chaque chromosome est recopiée. Cette réplication est initiée simultanément en plusieurs points du chromosome. C’est ce qui est visible sur la photographie en MET du document  1. On observe sur ce cliché une zone d’ouverture de la double hélice. Cet œil de réplication est dû à la présence d’un complexe enzymatique, l’ADN polymérase, qui se fixe sur la double hélice, sépare les deux brins et copie le brin parental en positionnant en face de chaque nucléotide les nucléotides complémentaires qui formeront peu à peu le nouveau brin. Chaque brin de la double hélice d’ADN parental est donc conservé et sert de modèle pour la synthèse du nouveau brin. La réplication de l’ADN se fait ainsi selon un mode semi-conservatif. Les travaux de Taylor, réalisés au milieu du xxe siècle, ont permis de démontrer ce mécanisme expérimentalement. Les résultats sont présentés dans le document 2. Des cellules végétales ont été cultivées sur un milieu contenant de la thymine radioactive (T*) afin que cette base azotée soit incorporée aux molécules d’ADN pendant la phase S. Les nucléotides contenant cette T* seront alors visibles, car marqués par leur radioactivité. Ainsi les deux brins d’ADN des deux chromatides sont marqués par la radioactivité (photo a). À l’issue d’un 1er cycle avec de la thymine non marquée, on observe que les 2 chromatides de chaque chromosome sont radioactives (photo b). En effet, lors de la réplication de l’ADN, l’ADN polymérase s’est fixée sur l’un des deux brins d’une molécule d’ADN (brin parental avec des T non radioactifs), puis a

synthétisé son brin complémentaire. Elle a utilisé les nucléotides libres, présents dans le noyau cellulaire. Comme certains de ces nucléotides étaient radioactifs (T*), alors le brin néosynthétisé est radioactif. Au cours de cette phase, le brin d’ADN parental (avec des T) est conservé, et un brin complémentaire est synthétisé (avec des T*). On obtient donc des chromosomes à 2 chromatides constituées chacune d’une molécule d’ADN bicaténaire avec un brin radioactif et un brin non radioactif. Un seul brin marqué suffit pour que la molécule d’ADN soit radioactive, les deux chromatides de chaque chromosome sont par conséquent radioactives. Les cellules végétales sont alors placées dans un milieu non radioactif. Lors de la réplication suivante (2e cycle cellulaire), l’ADN polymérase synthétise les nouveaux brins en utilisant les nucléotides libres, non radioactifs présents dans le noyau cellulaire. La réplication semi-conservative de l’ADN conduit à conserver un brin d’ADN parental dans chaque chromatide (l’un est radioactif et l’autre ne l’est pas). Les brins d’ADN néosynthétisés sont non radioactifs. Ainsi on obtient des chromosomes à 2 chromatides. L’une est constituée d’une molécule d’ADN dont un seul brin est radioactif et l’autre est constituée d’une molécule d’ADN dont les 2 brins sont non radioactifs. Ce résultat est conforme à celui qui est présenté dans la photo b. Enfin, après un cycle cellulaire supplémentaire en milieu non radioactif, la réplication de l’ADN selon le mécanisme semi-conservatif décrit plus haut conduit à l’obtention de 50  % des chromosomes qui ont l’une des 2 chromatides qui contient des T* (sur l’un des 2 brins de la molécule d’ADN) et 50 % des chromosomes n’ont que des T (sur les 2 brins de la molécule d’ADN). Ceci est conforme au résultat présenté sur la photo c. (Conclusion qui répond directement au problème). La réplication de l’ADN est réalisée par l’ADN polymérase. Elle se fait selon un mode semi-conservatif. Ainsi, ce mécanisme permet d’obtenir des chromosomes à 2 chromatides identiques juste avant la division de la cellule.

Parcours d’orientation

p. 39

Métier : Camille, technicienne biologiste Les amorces à commander doivent encadrer la séquence à amplifier. De plus, les brins d’ADN sont antiparallèles. 37

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Livre du professeur – SVT 1re

5’-GG AAA TCT GTG GGC ATT GTG ACC […] 3’-CC TTT AGA CAC CCG TAA CAC-5’ : amorce d GAG ATG CAT AAC ATC AGG GAC ATT-3’ 3’-TAC GTA TTG TAG TCC CTG TAA-5’ : amorce c

Actualité scientifique : Méiose, caryotype aneuploïde et âge des ovocytes Pour en savoir plus  : https://www.nature.com/ articles/ncomms15346 Les chercheurs australiens tentent de comprendre pourquoi, après 40 ans, la proportion de gamètes avec un nombre anormal de chromosomes est plus forte. Une protéine, la sécurine, est mise en cause. Des tests chez la souris ont été réalisés. On constate que 45 % des gamètes en 2e division de

méiose d’une souris âgée possèdent des chromosomes mal alignés contre seulement 15 % chez les jeunes souris témoins (doc. 1). Erratum : il y a une erreur dans le document 2. À la place de « + » lire « en absence de sécurine », à la place de « – » lire « en présence de sécurine ». En absence de sécurine dans les ovocytes d’une souris âgée, on constate que 57  % des ovocytes possèdent des chromosomes non alignés alors qu’en présence de sécurine, seulement 25 % des ovocytes ont des chromosomes mal alignés. La présence de sécurine permet donc de maintenir les deux chromatides sœurs ensemble pendant la phase de maturation des gamètes. En son absence, la séparase n’est plus inhibée et provoque une séparation des chromatides sœurs, induisant une présence de chromosomes surnuméraires.

38

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Chapitre 2 : Mutations et variabilité génétique

CHAPITRE 2   Mutations et variabilité génétique

Manuel p. 40-61

I. Introduction Programme Connaissances Des erreurs peuvent se produire aléatoirement lors de la réplication de l’ADN Leur fréquence est augmentée par l’action d’agents mutagènes. L’ADN peut également être endommagé en dehors de sa réplication. Activité 1 Les mutations sont à l’origine de la diversité des allèles au cours du temps. Selon leur nature, elles ont des effets variés sur le phénotype. Activités 1, 2 et 4 Les erreurs réplicatives et les altérations de l’ADN peuvent être réparées par des mécanismes spécialisés impliquant des enzymes. Si les réparations ne sont pas conformes, la mutation persiste à l’issue de la réplication et est transmise au moment de la division cellulaire. Activité 2 Chez les animaux dont l’être humain, une mutation survient soit dans une cellule somatique (elle sera présente dans le clone issu de cette cellule) soit dans une cellule germinale (elle devient potentiellement héréditaire). Activité 3 Notions fondamentales Nature et fréquence des mutations. Mutations et allèles. Mutations spontanées et induites. Enzymes de réparation de l’ADN. Cellules somatiques et germinales. Variabilité allélique et phénotypique. Objectifs Comprendre quels sont les mécanismes génétiques à l’origine de la diversité allélique au sein des populations. Capacités →→ Formuler et résoudre une question ou un problème scientifique. Activités 1, 2 et 3 ; exercices 11 et 14 →→ Interpréter des résultats et en tirer des conclusions. Activité 2 ; exercices 6, 7 et 9 →→ Concevoir et mettre en œuvre un protocole. Activités 1 et 4 ; exercice 11 →→ Recenser, extraire, organiser et exploiter des informations à partir de documents en citant des sources, à des fins de connaissance et pas seulement d’information. Activité 3 →→ Communiquer dans un langage scientifiquement approprié  : graphique (Activité  1 ; exercice  11), schéma (Activité 3 ; exercices 5 et 8) et écrit (Activités 2 et 4 ; exercices 10, 12 et 14). →→ Utiliser des logiciels d’acquisition, de simulation et de traitement de données. Activité 4 ; exercice 11 →→ Participer à l’élaboration de règles de sécurité et les appliquer au laboratoire. Activité 1 ; exercice 11 →→ Fonder ses choix de comportement responsable vis-à-vis de sa santé ou de l’environnement en prenant en compte des arguments scientifiques. Activité 1 ; exercices 8, 11 et métier

Commentaires pédagogiques Ce chapitre vise à comprendre les origines de la variabilité génétique au sein même d’une population et entre les populations (activité 4). Il s’agit de comprendre comment est généré le polyallélisme (la nature des mutations et le rôle de la réplication, activité 1), le devenir des différents types de mutations, suivant qu’elles affectent des cellules somatiques ou germinales (activité 3). On montre également que toutes les mutations n’affectent pas le phénotype suivant leur localisation ou leur nature (activité 4) et l’action d’enzymes de réparation de l’ADN (activité 2). Les notions du chapitre précédent (réplication, ADN polymérase et divisions cellulaires) sont indispensables pour bien appréhender les différentes activités. 39

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BIBLIOGRAPHIE ◗◗ Ouvrages de référence -- Pierre Peycru, Didier Grandperrin, Christiane Perrier, Bernard Augère, Thierry Darribière et al., Biologie tout-en-un. 1re année BCPST, Dunod, 4e édition, 2019. -- Élise Lelièvre, Julie Denoeud, Jonathan Roques, Élise Hamard-Péron et Mickael Airaud, Biologie, Les manuels visuels pour la Licence, Dunod, 2018. -- Anu Singh Cundy et Gary Shin, Découvrir la biologie, De Boeck, 2e édition, 2017.

◗◗ Sites internet -- Mutagenèse : http://www.inra.fr/Chercheurs-etudiants/Biotechnologies/Tous-les-dossiers/ biotechnologies-vertes/mutation -- Mutagenèse : https://lejournal.cnrs.fr/articles/crispr-cas9-des-ciseaux-genetiques-pour-le-cerveau -- Mosaïscisme : http://theses.vet-alfort.fr/telecharger.php?id=1833

II. Corrigés Activités

p. 42-49

Activité 1 Origine des mutations • Durée estimée : 45 minutes • Objectif  : Expliquer les différentes causes des mutations. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Formuler un problème scientifique. Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Concevoir, créer, réaliser

Mettre en œuvre un protocole.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : graphique.

Adopter un comportement éthique et responsable

Participer à l’élaboration de règles de sécurité et les appliquer au laboratoire. Fonder ses choix de comportement responsable vis-à-vis de sa santé ou de l’environnement en prenant en compte des arguments scientifiques.

Exploitation des documents L’enseignant peut exploiter les documents 1 et 2 en transmissif dans une partie cours afin d’identifier les types de mutations.

Les documents 3 et 4 sont à étudier simultanément pour mettre en évidence les effets des agents mutagènes. L’enseignant pourra développer l’étude du document 5 en menant la réflexion sur les implications éthiques de la mutagenèse, débat possible (capacité associée  : «  Fonder ses choix de comportement responsable vis-à-vis de sa santé ou de l’environnement en prenant en compte des arguments scientifiques »). Corrigés du guide de travail • Deux causes aux mutations : Internes Doc. 1  : erreur d’appariement lors de la réplication, ne respectant pas la complémentarité de bases azotées. Doc.  2  : dans les conditions physico-chimiques normales de la cellule il peut se produire des altérations chimiques des bases azotées (exemple de l’oxydation de la guanine) entraînant un mésappariement à la réplication suivante. Externes Doc. 3 : décrire par un texte le tableau. Doc. 4 : mise en application du facteur mutagène des rayons UV. Nombre total de colonies en fonction du temps d’exposition aux UV (en s) 400 Nombre total de colonies

200 0 0

20

40

60

40

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Chapitre 2 : Mutations et variabilité génétique

Mise en évidence du pouvoir mutagène des UV : la diminution du nombre de colonies et l’augmentation du nombre de colonies roses. Utilisation de la ressource numérique pour le nombre de colonies roses. Pourcentage de colonies roses en fonction du temps d’exposition aux UV 30 20

Pourcentage de colonies roses

10 0 0

50

Synthèse : Les mutations spontanées sont inévitables lors de la réplication (9 × 10–4 à 1 × 10–4 chez les bactéries) ainsi qu’en dehors avec les altérations chimiques de la séquence nucléotidique. Cependant, certains facteurs externes, chimiques ou physiques, peuvent augmenter la fréquence de ces mutations. Ces agents mutagènes sont d’ailleurs utilisés par les scientifiques pour générer une grande diversité de mutants par mutagenèse dirigée en agriculture par exemple.

Activité 2 La xérodermie pigmentaire, une fragilité pathologique aux agents mutagènes • Durée estimée : 45 minutes • Consigne  : Expliquer les symptômes et les causes de cette maladie génétique et montrer qu’elle permet de mettre en évidence des fonctions particulières des enzymes de réparation de l’ADN. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Formuler et résoudre une question ou un problème scientifique.

Pratiquer des démarches scientifiques

Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié.

Exploitation possible des documents avec vos élèves –– Mettre en lien l’évolution du nombre de mutations chez un individu atteint de xérodermie

pigmentaire en fonction de la quantité de rayons UV reçus avec les modifications induites par les UV (doc. 1). –– Expliquer l’évolution du nombre de mutations chez un individu sain en fonction de la quantité de rayons UV en montrant le rôle des enzymes de réparation de l’ADN (docs. 3 et 4). –– Exploiter les documents 2 et 3 afin d’expliquer l’origine de la maladie génétique xérodermie ainsi que ces conséquences. Connaissances utiles Les UV sont des agents mutagènes à l’origine de mésappariements (activité 1 ; doc. 3). Propositions de mise en œuvre →→ Possibilité d’une approche déductive où est d’abord présentée la notion d’enzyme de réparation de l’ADN (docs.  3 et 4). Il sera ensuite demandé aux élèves de l’appliquer pour expliquer le cas clinique. →→ Possibilité d’une approche inductive qui s’appuie sur les documents 3 et 4 pour mettre en évidence le rôle des enzymes de réparation de l’ADN avec comme consigne possible l’élaboration d’un texte. →→ Possibilité de faire construire une modélisation par les élèves en guise de conclusion (si matériel des nucléotides emboitables disponible) : –– modéliser les dimères de thymine et la déformation de la double hélice, puis le passage de l’ADN polymérase et la réplication conduisant à une mutation ; –– modéliser ensuite le passage de la protéine xpB fonctionnelle et de la protéine xpB d’un individu atteint de xérodermie pigmentaire.

Activité 3 De génération en génération, de nouveaux allèles • Durée estimée : 1 heure • Objectif  : Expliquer comment peut apparaître une maladie génétique chez un individu n’ayant aucun antécédent familial. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Formuler un problème scientifique. Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Concevoir, créer, réaliser

Mettre en œuvre un protocole. 3

41

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Livre du professeur – SVT 1re

Compétences

Capacités associées

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : schéma.

Utiliser des outils et mobiliser des méthodes pour apprendre

Recenser, extraire, organiser et exploiter des informations à partir de documents en citant des sources, à des fins de connaissance et pas seulement d’information.

Exploitation des documents La difficulté pour l’élève est de bien comprendre que les parents ne sont pas porteurs sains des allèles responsables de la maladie. Ils présentent donc deux fois l’allèle sain, mais une mutation est apparue par la suite, soit au niveau des cellules germinales, soit des cellules somatiques. L’autre difficulté est de comprendre le mosaïscisme de la patiente atteinte de neurofibromatose. Pour lever l’écueil, orienter l’étude conjointe des documents 2 et 3. Pour chaque maladie l’élève doit faire le lien avec le document 4. Corrigés du guide de travail • Les parents de la patiente atteinte de neurofibromatose sont sains, non porteurs de la mutation du gène NF-1. Il y a donc eu une mutation de ce gène dans les cellules germinales de ses parents ou dans une des cellules somatiques de la patiente à la suite de la fécondation (doc. 4). • Doc. 4 : montre que si une cellule germinale est mutée, l’ensemble des cellules de la patiente seraient porteuses de la mutation, or ce n’est pas le cas. • Doc. 3 : nous observons que si une cellule somatique est mutée (allèle d p allèle D) alors seules les cellules issues de la division de cette cellule mutée seront de phénotype « couleur noire ». On parle de mosaïscisme. Ainsi, chez la patiente, le fait que seules certaines cellules de son organisme soient mutées permet de dire qu’elle est atteinte de mosaïscisme. Cellule mutée

Conséquences

Somatique

Cellules filles issues de la mitose de la cellule mutée formant un clone dont les cellules sont porteuses de la mutation.

Germinale

Cellules reproductrices mutées et donc mutation potentiellement héréditaire (transmise à la descendance).

Synthèse : — Voir le schéma en haut de la page suivante. —

Activité 4 Mutations, diversité allélique et diversité phénotypique • Durée estimée : 30 minutes • Objectif : Montrer en quoi les mutations sont à l’origine de diversité entre individus au sein et entre les populations. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Concevoir, créer, réaliser

Mettre en œuvre un protocole.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : écrit.

Pratiquer des langages

Utiliser des logiciels d’acquisition, de simulation et de traitement de données.

Exploitation des documents La difficulté pour les élèves est de bien comprendre la notion de populations afin de différencier la diversité au sein et entre ces dernières. Le document 3, qui n’est pas réellement à exploiter, permet de comprendre le document 4. Connaissance utile  : vue dans l’activité  3, si une mutation touche une cellule germinale, elle peut se transmettre de génération en génération. Corrigés du guide de travail • Doc. 1 : la mutation crée un nouvel allèle du gène Manx, l’allèle M, responsable de la mise en place de la colonne chez les vertébrés. On parle alors de polyallélisme pour ce gène qui existe sous différentes versions. Or ce nouvel allèle est à l’origine d’une race de chat (le chat Manx), il peut donc se transmettre de génération en génération. De même, le document  4 nous indique que le gène codant pour la bêta-globine existe sous 476 versions inégalement réparties dans les populations méditerranéennes. Conclusion : un nouvel allèle peut se répandre dans une population, si la mutation à l’origine de cet allèle touche une cellule germinale. • Doc.  2  : on voit qu’une importante partie du génome n’est pas exprimée, ainsi une modification

42

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Chapitre 2 : Mutations et variabilité génétique

Enfant atteint de l’anémie de Fanconi

de la séquence de nucléotides de cette partie n’affectera pas le phénotype. • Doc.  4  : on nous dit qu’il existe 476 allèles du gène codant pour la bêta-globine, mais beaucoup conduisent à un phénotype sain, c’est donc que le changement de la séquence nucléotidique des parties exprimées de l’ADN n’affecte pas toujours le phénotype. Synthèse : Une mutation chez un individu est à l’origine de la création d’un nouvel allèle. Cette mutation touchant les cellules germinales va pouvoir se transmettre et donc créer de la diversité génétique au sein d’une population. En fonction des populations, les allèles vont se transmettre différemment (doc. 4) et les proportions alléliques varient alors d’une population à l’autre. Cependant, à cette diversité allélique ne correspond pas toujours une diversité phénotypique car certaines mutations n’affectent pas les régions codantes de l’ADN par exemple.

S’entraîner

p. 55-56

4. Comprendre le vocabulaire a) Somatique : du grec ancien qui signifie en lien avec le corps, corporel.

Patiente atteinte de neurofibromatose

Germinale : du latin qui signifie relatif à la germination. b) Mutagène : « muta- » pour mutation, « -gène » pour générer. Agent mutagène : agent qui génère des mutations. c) Un gène peut être comparé à un logiciel. En effet un logiciel code pour une fonction, par exemple le traitement de texte, mais ce logiciel peut exister sous différentes versions, Word ou Office, qui présentent chacune leurs propres caractéristiques. Les allèles sont les versions des gènes. d) Toutes les cellules de ton corps contiennent chacune l’ensemble de l’information qui définissent tes caractères. Il s’agit d’une suite de «  lettres  » dont l’ordre code pour chacun de tes caractères observables comme le fait que tu sois en bonne santé, par exemple. Les rayons du soleil contiennent des UV, qui peuvent changer cette séquence de lettre et ainsi modifier les caractères des cellules de ta peau qui peuvent devenir «  malades  ». Voilà pourquoi tu dois mettre de la crème solaire qui empêchera les UV d’abîmer l’information, et donc les cellules, de ta peau. e) Pour changer la couleur d’un Schtroumpf, il faut identifier le gène responsable de la couleur. On réalise ensuite une mutagenèse dirigée, c’est-àdire que l’on expose des cellules-œufs à différents mutagènes, puis on sélectionne les embryons dont le gène responsable de la couleur a été muté. 43

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Livre du professeur – SVT 1re

5. Schéma fonctionnel d’un mécanisme de réparation de l’ADN 1. Détection de l’erreur (mauvais appariement). 2. Excision du fragment contenant l’erreur. 3. Élimination du fragment contenant l’erreur. 4. Synthèse réparatrice activée par l’ADN polymérase.

à-dire qu’aucune n’a subi de mutation réverse. En revanche le nombre de bactéries His+ dans les boîtes augmente quand on les soumet au 2-nitro-fluorène. Plus la concentration en 2-nitro-fluorène augmente plus il apparaît de bactéries mutantes His+. On en déduit que le 2-nitro-fluorène est un agent mutagène.

7. La trichothiodystrophie

1

Les enzymes xpB et xpD interviennent toutes deux dans les mécanismes de réparation de l’ADN. Elles permettent d’ouvrir la double hélice d’ADN en vue de l’excision du brin d’ADN muté.

2

Ces deux enzymes sont codées par deux gènes différents. Ainsi la mutation de l’un ou l’autre de ces gènes conduit dans tous les cas au même phénotype car l’ADN muté ne peut être réparé.

3

8. Les HAP Schéma de réplications d’ADN en présence de HAP. — Voir le schéma en bas de page. —

4

9. Un peu de mathématiques…

6. Test d’Ames

À chaque réplication le nombre de mutations touchant ce gène est égal au nombre de nucléotides multipliés par la fréquence de mutation soit 2,6 × 106 × 1 × 10–6 = 2,6 mutations pour ce gène de la dystrophine. On comprend alors le fort poly­ allélisme de ce gène.

En absence de 2-nitro-fluorène, on constate que l’ensemble des bactéries sont toujours His–, c’est-

Mésappariement

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Chapitre 2 : Mutations et variabilité génétique

Vers le bac

p. 57-60

10. La fixation des mutations Une mutation est une modification de la séquence nucléotidique. Elle conduit à l’apparition de nouveaux allèles. Comment ces modifications peuvent-elles se produire en dehors de la phase S ? Quel est le rôle de la réplication dans la fixation de ces mutations ? Nous étudierons dans un premier temps les mécanismes à l’origine des altérations de l’ADN en dehors de la réplication, puis nous verrons comment cette dernière permet le maintien de ces mutations de génération en génération cellulaire. I. Des mutations en dehors de la réplication Altérations spontanées En dehors de la phase S, l’ADN peut être endommagé (oxydation de nucléotide, dimère de thymine…). Ces altérations peuvent être spontanées, c’est-à-dire qu’elles peuvent se produire aléatoirement dans les conditions normales de vie de la cellule. Ces altérations se produisent à une fréquence d’environ 1 pour 106 nucléotides. Altérations induites Cependant certains facteurs externes physiques, comme les UV, ou chimiques, comme l’acide nitreux, peuvent augmenter la fréquence de ces mutations. On parle de facteurs mutagènes. Exemple d’altération de l’ADN induite par les UV : les dimères de thymine.

II. Mutations fixées au cours de la réplication semi-conservative Ces altérations de la molécule d’ADN ont pour effet d’entraîner un mauvais appariement de nucléotides lors de la réplication suivante, ce qui aboutit à des mutations et donc de nouveaux allèles. — Voir le schéma en bas de page. — Le nucléotide à guanine oxydée va s’associer avec un nucléotide à A plutôt qu’avec un nucléotide à C, cela aboutit alors à une mutation à la réplication suivante. Exemple de réplication à la suite de la formation d’un dimère de thymine Lors de la réplication, le dimère de thymine forme un coude, et ainsi la T du brin transcrit va préférentiellement s’associer avec une C plutôt qu’avec une A, générant ainsi un changement dans la séquence nucléotidique, et donc une mutation. — Voir le schéma en haut de la page suivante. — Conclusion Au cours de la vie cellulaire, l’ADN, de façon spontanée ou induite, peut subir des modifications dans sa séquence nucléotidique. Cependant ce n’est qu’au cours de la réplication que ces mutations vont être définitivement fixées. Il existe cependant des enzymes de réparation de l’ADN intervenant pendant et en dehors de la réplication permettent ainsi de limiter le nombre de ces mutations.

11. Conséquences de l’exposition des levures ade- aux rayons ultraviolets Je cherche à mettre en évidence que les UV ont une action mutagène sur les levures ade-. Pour cela je vais mettre en culture des levures ade-. Je vais faire une boîte de Pétri ensemencée par des levures ade- témoin que je n’irradierai pas. Puis des boîtes ensemencées de la même concentration en levures ade- que j’exposerai à des doses croissantes d’UV.

Exemple de réplication à la suite d’une oxydation de base azoté

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Je m’attends à voir le nombre de colonies blanches issues de la division d’une levure ayant subi une mutation augmenter avec le temps d’exposition au UV. (On peut également indiquer que l’on s’attend à voir de moins en moins de colonies.)

Pourcentage de colonies roses en fonction du temps d’exposition aux UV

Tableau présentant les pourcentages de colonies blanches en fonction du temps d’exposition aux UV Temps d’exposition aux UV (s)

0

15

30

60

80

Nombre total de colonies

6 940

6 019

2 290

1 024

853

Nombre de colonies rouges

6 732

5 237

1 901

707

469

Nombre de colonies blanches

208

782

399

317

384

Pourcentage de colonies blanches

2,99

11,26

16,98

30,95

45,01

Graphiques représentant le nombre de colonies et le pourcentage de colonies blanches en fonction du temps d’exposition aux UV. Nombre total de colonies en fonction du temps d’exposition aux UV

J’observe qu’il y a de moins en moins de colonies dans les boîtes de Pétri lorsque le temps d’exposition aux UV augmente. Parallèlement, le pourcentage de colonies blanches augmente. J’en conclus que les UV ont entraîné des changements génétiques à l’origine de la mort ou du changement de métabolisme des levures ade-. Ce sont donc des agents mutagènes à l’origine de la formation de colonies blanches.

12. La mutagenèse On cherche à montrer comment les généticiens mettent en évidence les gènes impliqués dans la sensibilité aux antibiotiques chez les bactéries. Doc.  1  : on observe l’effet des rayons UV sur la molécule d’ADN. Ces derniers conduisent à l’élaboration d’une liaison covalente entre deux thymines adjacentes d’un brin d’ADN. Doc.  2  : on peut voir que la formation de ces dimères a des conséquences lors de la réplication de l’ADN. En effet, nous savons que l’ADN polymérase effectue une réplication semi-conservative, c’est-à-dire qu’elle permet la formation d’un brin

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Chapitre 2 : Mutations et variabilité génétique

d’ADN néoformé par complémentarité des bases azotées d’un brin transcrit. Ainsi, elle associe un nucléotide à adénine à un nucléotide à thymine, et un nucléotide à cytosine à un nucléotide à guanine. Cependant le document 2 nous indique que les dimères de thymine entraînent la mise en place d’un nucléotide à guanine à la place d’un nucléotide à adénine par l’ADN polymérase. — Voir le schéma en haut de page. — Cela conduit donc à la substitution d’une thymine par une guanine à la réplication suivante. Les scientifiques exposent les bactéries sensibles aux antibiotiques aux rayons UV. Ils génèrent ainsi des dimères de thymine et donc des mutations. Ces bactéries sont ensuite mises en culture en présence de l’antibiotique (doc.  3). Celles qui se développent sont donc résistantes à cet antibiotique. Nous en déduisons qu’il s’agit de bactéries ayant subi une ou des mutations du gène de sensibilité aux antibiotiques. Les scientifiques, en identifiant ces mutations, identifient ainsi le gène de sensibilité à l’antibiotique. En conclusion Les généticiens se servent des propriétés mutagènes des UV afin de rendre les bactéries résistantes à un antibiotique et ainsi de déterminer le ou les gènes impliqués dans la sensibilité des bactéries à cet antibiotique.

13. La pigmentation du poisson-zèbre 1-d / 2-c / 3-c / 4-d.

14. La couleur du pelage d’Harmonie Doc.  1  : exposer les phénotypes en fonction des génotypes ((d//d) p bleu, (D//d) et (D//D) p noir). Comment expliquer les deux couleurs présentes ? Doc. 2 : descendances attendues pour les parents d’après l’étude de l’arbre : Le père d’Harmonie étant dilué (d//d), il produit exclusivement des gamètes d. Sa mère étant hétérozygote (D//d), elle produit des gamètes D et des gamètes d. Père Bleu Génotype (d/d) d

Faraone – Mère Noire et Blanche Génotype (D/d)

D

D/d

d

d/d

Doc. 3 : hypothèse pouvant expliquer le phénotype d’Harmonie. Un mosaïcisme issu d’une mutation. La mutation somatique de l’un des allèles du gène de dilution à un stade relativement précoce du développement d’Harmonie peut être envisagée. Ainsi, dans cette hypothèse, on considère la mutation de d vers D dans l’une des premières cellules embryonnaires, donnant à l’âge adulte des plages de couleur noires (D//d) relativement étendues par rapport aux plages de couleur bleues (d//d).

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Parcours d’orientation

p. 61

Métier : Le rôle des bioinformaticiens • Dans les deux cas c’est le CNS. • Leur rôle est de comparer les séquences nucléotidiques de génomes de différentes espèces ou appartenant à la même. Ils peuvent ainsi en déduire le rôle de certains gènes. Par exemple lorsqu’ils comparent le génome d’individus sains à celui d’individus atteints d’une maladie génétique, ils vont pouvoir localiser les différences nucléotidiques et donc les gènes impliqués.

Actualité scientifique : Des mutations volontaires • Cette technique utilisée sur une cellule-œuf conduit à la création d’un organisme génétiquement modifié (OGM). Utilisée sur l’être humain elle pose des problèmes bioéthiques. En effet, elle permet de modifier l’ensemble du génome et donc les phénotypes des individus (couleur des yeux, de la peau…). • En supprimant la séquence de nucléotides porteuse de la mutation à l’origine d’une pathologie, et en la remplaçant par une séquence non mutée, les généticiens pourraient soigner des maladies génétiques.

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Chapitre 3 : L’histoire humaine lue dans son génome

CHAPITRE 3  L’histoire humaine lue dans son génome

Manuel p. 62-79

I. Introduction Programme La diversité allélique entre les génomes humains individuels permet de les identifier et, par comparaison, de reconstituer leurs relations de parentés. Activité 1 Grâce aux techniques modernes, on peut connaître les génomes d’êtres humains disparus à partir de restes fossiles. En les comparant aux génomes actuels, on peut ainsi reconstituer les principales étapes de l’histoire humaine récente. Activité 2 Certaines variations génétiques résultent d’une sélection actuelle (tolérance au lactose, résistance à la haute altitude) ou passée (résistance à la peste). Activité 3 Notions fondamentales –– Les progrès du séquençage permettent de retracer des relations de parenté. –– La diversité allélique est à l’origine de l’unicité génétique des individus. –– Homologies de séquences nucléotidiques et gènes hérités. –– Sélection naturelle et variations génétiques des populations. Objectifs Comprendre ce que nous apprend la diversité génétique de l’espèce humaine sur son histoire. Capacités →→ Observer, questionner, formuler une hypothèse, en déduire ses conséquences vérifiables, raisonner avec rigueur, argumenter. Activités 2 et 3 ; exercice 11 →→ Interpréter des résultats et en tirer des conclusions. Activité 1 ; exercices 7 et 9 →→ Concevoir et mettre en œuvre un protocole. Activité 2 →→ Recenser, extraire, organiser et exploiter des informations à partir de documents en citant des sources, à des fins de connaissance et pas seulement d’information. Activité 1 ; exercice 10 →→ Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : écrit. Activité 1 →→ Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : tableau. Activité 2 →→ Communiquer sur ses démarches, ses résultats et ses choix en argumentant. Activités 2 et 3 ; exercices 9, 10 et 11 →→ Utiliser des logiciels d’acquisition, de simulation et de traitement de données. Activité 2 →→ Fonder ses choix de comportement responsable vis-à-vis de sa santé ou de l’environnement en prenant en compte des arguments scientifiques. Activité 3 ; exercice actualité scientifique →→ Comprendre les responsabilités individuelles et collectives en matière de préservation de santé. Activité 1 →→ Participer à l’élaboration de règles de sécurité. Exercice métier Précisions Les dates pour les derniers ancêtres communs et les métissages sont fluctuantes d’une source à l’autre…

Commentaires pédagogiques • Il s’agit de comprendre comment le séquençage des génomes conduit aux avancées génétiques et nous renseigne sur les grandes étapes de l’histoire récente de l’être humain : migrations, rencontres, pressions environnementales subies... 49

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Livre du professeur – SVT 1re

• La comparaison des génomes permet de retracer les parentés, avec les homologies de séquences, et d’identifier les individus (activité 1). • On étudie alors les génomes des hommes modernes afin de retracer leur histoire, notamment en les comparant avec Néandertal et Denisova (activité 2). • La variabilité du génome d’une population de sapiens modernes à l’autre nous renseigne également sur les pressions de sélection actuelles et passées (activité 3). • Les notions de polyallélismes et de mutations (chapitre 2) sont nécessaires pour appréhender ce chapitre ; de même que la compréhension des mécanismes de la sélection naturelle (seconde).

BIBLIOGRAPHIE ◗◗ Ouvrages de référence -- Hors série « La Recherche » 2016, « L’odyssée de l’Homme ». -- « Évolution : la saga de l’humanité une singulière histoire de 10 millions d’années », Dossier pour la Science No 94, janvier-mars 2017.

◗◗ Sites internet -- La génétique de la tolérance au lactose et la sélection naturelle : http://acces.ens-lyon.fr -- Génétique de l’adaptation à l’altitude des Tibétains : http://acces.ens-lyon.fr http://www.hominides.com https://www.pourlascience.fr/sd/prehistoire https://www.sequencage-genome.com/histoire

II. Corrigés Activités

p. 64-69

Activité 1 Le séquençage du génome humain • Durée estimée : 50 minutes • Objectif  : Comprendre comment les données issues du séquençage de l’ADN humain apportent de nouvelles informations sur les génomes des individus. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Utiliser des outils et mobiliser des méthodes pour apprendre

Recenser, extraire, organiser et exploiter des informations à partir de documents en citant des sources, à des fins de connaissance et pas seulement d’information.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : écrit.

Adopter un comportement éthique et responsable

Comprendre les responsabilités individuelles et collectives en matière de préservation de santé.

Exploitation des documents Doc. 1 : il est présenté pour traiter de l’histoire des sciences et mettre en évidence le caractère unique du génome d’un individu. Il permet également de comprendre que la connaissance du génome d’un individu permet de retracer ses liens de parenté. Docs. 2 et 3 : ils mettent en lumière les progrès du séquençage ces dernières décennies. Les élèves réalisent que les avancées sont très récentes. Doc. 4 : il peut poser un problème aux élèves car le procédé de séquençage est complexe d’où l’intérêt de le mettre en parallèle du document 1 (voir corrigés du guide de travail). Corrigés du guide de travail • Les grandes étapes comparées (docs. 1 et 4).

3

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Chapitre 3 : L’histoire humaine lue dans son génome

Élaboration d’une empreinte génétique

Élaboration d’un séquençage de génome

Extraction d’ADN Fragmentation de l’ADN –

Polymérisation à partir d’une amorce, en présence de nucléotides fluorescents.

Séparation des fragments d’ADN en fonction de leur taille – Obtention sur gel d’une empreinte

Activité 2 L’histoire d’Homo sapiens lue dans les gènes • Durée estimée : 50 minutes • Objectif  : Découvrir comment le génome d’espèces d’êtres humains disparues nous renseigne sur l’histoire humaine récente. • Compétences Compétences

Capacités associées

Mesure informatique de lafluorescence aboutissant au séquençage de chaque fragment.

Pratiquer des démarches scientifiques

Assemblage des différentes séquences p séquence du génome connue

Observer, questionner, formuler une hypothèse, en déduire ses conséquences vérifiables, raisonner avec rigueur, argumenter.

Concevoir, créer, réaliser

Mettre en œuvre un protocole.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : tableau.

Pratiquer des langages

Communiquer sur ses démarches, ses résultats et ses choix en argumentant.

Pratiquer des langages

Utiliser des logiciels d’acquisition, de simulation et de traitement de données.

• Séquençage de génomes de plus en plus importants : –– génome de virus de 5 kb en 1977 ; –– de levure de 12 Mb en 1996 ; –– de l’être humain de 3,3 Gb en 2001 (doc. 2). Depuis 2001, le nombre de génomes humains séquencés a connu une croissance exponentielle. Ces avancées ont pu être réalisées car les progrès technologiques ont permis une diminution des coûts de séquençage (doc. 3). À l’heure actuelle environ 50 millions de génomes humains ont été séquencés, leur étude et leur comparaison apportant des connaissances sur notre génome. • Discussion possible sur : –– les problèmes de confidentialité et de protection des données personnelles si l’on peut séquencer le génome complet de chaque individu avec juste un échantillon (peau, poils, salive…) p problèmes éthique et social. –– La loi de filiation en France qui repose sur l’éducation et non la biologie, le séquençage permet de retrouver ses parents biologiques p problème juridique. Synthèse : Le séquençage du génome d’un individu permet d’obtenir la séquence nucléotidique de l’ensemble de son ADN (doc. 4). Or cette dernière est unique et caractérise donc un individu à la manière de ses empreintes digitales (doc. 1). De plus, l’ensemble des allèles d’une personne est hérité pour moitié du père et pour l’autre de la mère. La comparaison de séquences de génome permet donc de déterminer les relations de parenté.

Exploitation des documents Pré-requis : les élèves doivent avoir déjà étudié le principe de séquençage (activité 1). La difficulté pour les élèves est de différencier les homologies de séquences entre deux espèces qui amènent à conclure à un métissage, des pourcentages de ressemblance qui permettent de définir leur degré de parenté. La synthèse peut être accompagnée d’une carte à compléter par l’élève afin de retracer l’histoire évolutive d’Homo sapiens. Corrigés du guide de travail • L’extraction d’ADN de restes fossiles de Néandertal et Denisova, suivie de son amplification, a permis de séquencer le génome de ces Homo depuis le début des années 2010 (doc. 1). La comparaison de leur séquence génomique, par logiciels informatiques, à celle d’êtres humains modernes a montré que certaines séquences sont identiques (exemple : le gène ESPAR1 des Tibétains avec Néandertal et Denisova, document 2) ou très proches, ce qui permet d’estimer que certains gènes, comme ESPAR1 chez les Tibétains, sont hérités de Néandertal et/ou de Denisova comme on peut le voir sur le document 2 avec l’étude comparée de la séquence nucléotidique du chromosome 9. • Les Homo sapiens possèdent un ancêtre commun entre eux plus récent qu’avec les autres Homo. 51

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Cependant, les séquences d’ADNm des sapiens Eurasiatiques possèdent plus de ressemblances entre elles qu’avec celles des sapiens Africains. Les populations eurasiatiques ont donc un ancêtre commun plus récent qu’avec les populations africaines. Denisova est plus apparenté à Néandertal qu’à sapiens selon les données d’ADNm, mais la comparaison de l’ADNm de Néandertal et des sapiens (doc. 3) met en évidence un pourcentage de ressemblance supérieur à 92 % suggérant un ancêtre commun aux trois espèces de sapiens étudiées. Enfin, les homologies de séquences entre les Homo (docs. 1 et 2) permettent de dater les croisements entre l’ancêtre des sapiens eurasiatiques et Néandertal, et entre l’ancêtre des Papous et des Tibétains, et Denisova. Synthèse : Les données génétiques vues précédemment permettent de retracer l’histoire de sapiens  : voir corrigé carte, page 71, du manuel retraçant migrations et croisements avec les Homo disparus.

Activité 3 Environnement et évolution des populations • Durée estimée : 50 minutes • Consigne : Argumenter à travers deux exemples que la sélection naturelle permet d’expliquer certaines caractéristiques actuelles du génome humain. • Compétences Compétences

–– Doc. 4 : montrer que le génome des Roms rend compte de cette pression de sélection. –– Conclure en expliquant comment les génomes des Tibétains et des Roms rendent compte de sélections naturelles actuelles ou passées. Connaissances utiles La sélection naturelle  : dans un environnement donné, certains allèles peuvent apporter un avantage aux individus. Ces derniers vont alors davantage se reproduire que les autres et transmettre cet allèle à leurs descendants. Cet allèle va donc se répandre dans la population. Propositions de mise en œuvre →→ Possibilité de TP avec passage à l’oral en fin d’heure où chaque groupe répond au même problème : «  Argumenter à travers votre exemple que la sélection naturelle permet d’expliquer certaines caractéristiques actuelles du génome humain » mais à travers des exemples différents : –– sur les documents 1 et 2 pour le mal des montagnes ; –– sur les documents 3 et 4 pour la peste ; –– sur la tolérance au lactose avec les documents de l’exercice de la page 77. →→ Possibilité pour aller plus loin de faire chercher aux élèves comment ces pressions de sélection permettent de retracer des liens de parenté entre les individus.

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Observer, raisonner avec rigueur, argumenter.

Pratiquer des langages

Communiquer sur ses démarches, ses résultats et ses choix en argumentant.

Adopter un comportement éthique et responsable

Fonder ses choix de comportement responsable vis-à-vis de sa santé ou de l’environnement en prenant en compte des arguments scientifiques.

Exploitation possible des documents avec vos élèves –– Doc.  1  : expliquer les manifestations physiologiques du mal des montagnes. –– Doc. 2 : mettre en relation le génotype et le phénotype des Tibétains avec leur environnement. –– Doc. 3 : mettre en évidence à quelle pression de sélection ont pu être soumis les Roms à l’inverse des Nord-Indiens.

S’entraîner

p. 75-76

5. Traduire un schéma par un texte L’arbre phylogénétique nous apprend que les trois groupes d’Homo sapiens étudiés possèdent un ancêtre commun plus récent entre eux qu’avec les autres espèces d’Homo. Sapiens de Mélanésie et d’Eurasie ont en commun des gènes ancestraux hérités de Néandertal. Ils ont donc un ancêtre en commun possédant ces gènes issus d’un métissage entre sapiens et Néandertal à la différence des sapiens d’Afrique. Ils sont donc plus apparentés. Les sapiens de Mélanésie ont également des gènes hérités de Denisova, à la différence des autres Homo. On peut en conclure que leurs ancêtres se sont hybridés avec cet Homo disparu.

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Chapitre 3 : L’histoire humaine lue dans son génome

6. Jouer avec les mots Le terme Néandertal vient de l’allemand « Neander Thal », littéralement « la vallée de Neander » où le premier fossile fut découvert, en 1856, dans une grotte près de Düsseldorf.

7. Contrôle de filiation équine Nous observons sur la comparaison des génotypes du poulain et de ses parents présumés que certains marqueurs génétiques du poulain sont communs à ceux de la mère, mais d’autres ne sont présents chez aucun des deux parents présumés. Or, nous savons que les gènes d’un enfant sont pour moitié hérités du père et pour moitié de la mère. Nous pouvons en déduire que le père présumé du poulain n’est pas son géniteur.

8. Construire un arbre phylogénétique à partir de données moléculaires La matrice des distances présentée nous indique le nombre de différences nucléotidiques sur une partie de génome entre plusieurs Homo. Nous observons que le sapiens français et le sapiens néerlandais sont les plus apparentés (12 nucléotides différents). Le sapiens russe présente 18 nucléotides différentes avec le Français et 22 avec le Néerlandais, il est donc plus éloigné, mais possède néanmoins un ancêtre commun bien plus récent avec les deux autres sapiens qu’avec les autres Homo (202  nucléotides différentes avec Néandertal et 384 avec Denisova). Ces données nous permettent d’exclure l’arbre de droite. Néandertal a en moyenne 200 nucléotides différentes pour cette partie de génome avec les sapiens et 378 avec Denisova. Ces résultats nous amènent à penser qu’il partage avec sapiens un ancêtre plus récent qu’avec Denisova. L’arbre du centre est donc l’arbre correct.

9. Combien avez-vous d’ancêtres ? Nombre d’ancêtres : Il y a 1 000 ans, soit 1 000/30 générations : Nombre d’ancêtres = 2(1 000/30) = 1,1 × 1010 soit : 11 milliards. Il y a 10 000 ans, soit 10 000/30 générations : Nombre d’ancêtres = 2(10 000/30) = 2,2 × 10100

Il y a 10 000 ans, soit 100 000/30 générations : Nombre d’ancêtres = 2(100 000/30) = infinité d’ancêtres. Ces calculs nous donnent un nombre d’ancêtres toujours croissant plus on remonte dans le temps. On observe sur le graphique que le nombre théorique d’ancêtres est incohérent… cela laisse supposer que la population actuelle descend des mêmes ancêtres communs.

Vers le bac

p. 77-78

10. Tolérance et intolérance au lactose Rappeler le problème  : en quoi la tolérance au lactose est-elle un exemple de sélection naturelle ? Doc. 1 : la lactase est une enzyme responsable de l’hydrolyse du lactose en deux sucres simples assimilables par l’organisme. Ainsi, les individus LP continuent à produire cette enzyme à l’âge adulte à la différence des individus LPN. Doc. 4 : l’allèle LPN est identique à celui du chimpanzé (à la différence des différents allèles codant pour le phénotype LP), on peut donc établir que la forme ancestrale du gène codant pour la lactase est celui-ci : il est hérité de l’ancêtre commun au chimpanzé et à l’être humain. Les allèles LP sont donc le résultat de mutations de l’allèle LPN, par exemple l’allèle 14010LP a subi une mutation par substitution G p C en position 25. Docs. 2 et 3 : sur le document 2 on peut voir que les populations d’Europe du Nord présentent à 90  % un phénotype LP. Or le document  3 nous apprend que les ancêtres de ces populations possédaient une alimentation reposant notamment sur la consommation de lait il y a environ 7 000 ans. Ainsi, dans ces populations, les individus porteurs d’un allèle muté LP, leur conférant la capacité à digérer le lactose, ont été avantagés dans une société consommatrice de lait et cette mutation s’est répandue par sélection naturelle dans les populations d’Europe du Nord au cours des générations qui continuent à boire du lait. Bilan  : le gène codant pour la lactase, enzyme capable d’hydrolyser le lactose, est présent dans les populations sous différents allèles. L’allèle ancestral, codant pour un phénotype LNP, a subi au cours de l’évolution des mutations créant de nouveaux allèles LP. Dans les populations où l’alimentation repose en grande partie sur la consommation de lait, ces allèles mutés conférent aux individus porteurs un avantage. La sélection natu53

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Livre du professeur – SVT 1re

relle a conduit à ce que les populations nord-européennes soient actuellement essentiellement constituées d’individus LP.

11. L’origine des Tibétains On cherche à montrer que l’étude du génome des Tibétains actuels révèle qu’ils sont issus d’un métissage entre un groupe de sapiens et les SUNDer, groupe d’ascendance multiple. Doc. 1 : il montre que la population actuelle la plus proche génétiquement des Tibétains est la population Hans, ainsi ils posséderaient un ancêtre commun avec les Hans plus récent qu’avec les autres populations de sapiens contemporaines. Doc. 2 : les données géographiques vont dans ce sens, en effet les Tibétains et les Hans vivant à proximité, on peut supposer qu’un groupe de sapiens originaires des plaines où vivent actuellement les Hans a migré sur les plateaux tibétains. Ces données sont en accord avec l’arbre phylogénétique :

sapiens à l’origine de la population tibétaine actuelle sur le plateau, était déjà présent un groupe d’Homo aux ascendances multiples dont denisovienne et néandertalienne  : les SUNDer, avec lesquels les Homo sapiens se sont métissés. Ainsi, les données génétiques des Tibétains révèlent une parenté proche avec les Hans. Les Tibétains seraient donc issus d’une population d’Homo sapiens ayant migré sur le plateau il y a 9 000 ans. La présence de gènes issus de Denisova et de Néandertal dans leur génome, mais absents dans celui de leurs plus proches parents actuels, les Hans, laisse supposer qu’un autre groupe d’Homo vivait déjà sur le plateau tibétain, les SUNDer, et aurait ainsi échangé des gènes avec les Homo sapiens du plateau tibétain.

Parcours d’orientation

p. 79

Métier : Appartenir à la police scientifique • Le travail des ASPTS repose sur la caractéristique suivante de l’ADN  : le génome de chaque individu est unique. • Si les agents de la PTS réalisent des prélèvements en vue de séquencer l’ADN, ils doivent faire attention à ne pas contaminer ces échantillons avec leur propre ADN. Voilà pourquoi ils enfilent des gants, une charlotte et un masque.

Actualité scientifique : Le DPI en France Doc.  3  : l’étude du séquençage d’une partie du génome des Hans et des Tibétains révèle que ces derniers possèdent des gènes ancestraux hérités de Denisova, de Néandertal absents du génome des Hans. Or l’ancêtre commun à ces deux populations actuelles étant daté d’environ – 9 000 ans, ces échanges de gènes entre Denisova, Néandertal et les ancêtres des Tibétains n’ont pas pu avoir lieu. Cela suppose que lors de l’arrivée des Homo

• L’agence de biomédecine a un rôle bioéthique. C’est elle qui détermine si les raisons poussant un couple à avoir recours à la DPI sont légitimes. • Elle veille à ce qu’il n’y ait pas de dérive dans l’utilisation des DPI. En effet, le séquençage de l’ADN d’un embryon permet de connaître toutes les caractéristiques de l’enfant à naître et ne doit pas être utilisé pour d’autres raisons que la détection de maladies graves.

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Chapitre 4 : L’expression du patrimoine génétique

CHAPITRE 4   L’expression du patrimoine génétique

Manuel p. 80-103

I. Introduction Programme Connaissances La séquence de l’ADN, succession des quatre désoxyribonucléotides le long des brins de la molécule, est une information. Cette information est transmise de générations en générations. Activité 1 À chaque génération, cette information est exprimée par l’intermédiaire d’un autre acide nucléique : l’ARN. Activité 2 Les molécules d’ARN sont synthétisées par complémentarité des nucléotides à partir de l’ADN lors d’un processus dénommé transcription. Activité 2 Chez les eucaryotes, la transcription a lieu dans le noyau et certains des ARN formés, après maturation éventuelle sont exportés dans le cytoplasme. Activités 2 et 4 Parmi ceux-ci se trouvent les ARN messagers qui dirigent la synthèse de protéines lors d’un processus dénommé traduction. Activité 3 Le code génétique est un système de correspondance, universel à l’ensemble du monde vivant, qui permet la traduction de l’ARN messager en protéines. Activité 3 L’information portée par une molécule d’ARN messager (le message génétique) est ainsi convertie en une information fonctionnelle (la séquence des acides aminés de la protéine). Activités 1 et 3 Le phénotype résulte de l’ensemble des produits de l’ADN (protéines et ARN) présents dans la cellule. Activité 1 Il dépend du patrimoine génétique et de son expression. Activité 4 L’activité des gènes de la cellule est régulée sous l’influence de facteurs internes à l’organisme (développement) et externes (réponses aux conditions de l’environnement). Activités 4 et 5 Notions fondamentales Transcription, traduction, pré-ARNm, ARNm, codon, riboses, génotype, phénotype. Objectifs Les élèves relient un gène à ses produits (ARN et protéines) et comprennent ainsi que l’existence d’une étape intermédiaire (ARN) permet de nombreuses régulations. Ils appréhendent la différence essentielle entre information et code. Capacités →→ Calculer le nombre de combinaisons possibles de séquences de n nucléotides de longueur quand n grandit. Comparer à un code binaire utilisé en informatique. Activité 1 →→ Calculer le nombre de combinaisons possibles de séquences de n acides aminés quand n grandit. Comparer au calcul réalisé pour l’ADN. Activité 1 →→ Mener une démarche historique ou une étude documentaire sur le séquençage des macromolécules (protéines, ARN et ADN). Activité 2 →→ Mener une démarche historique ou une étude documentaire permettant de comprendre comment les ARN messagers ont été découverts. Activité 2 →→ Rechercher et exploiter des documents montrant la synthèse et la présence d’ARN dans différents types cellulaires ou dans différentes conditions expérimentales. Activité 2 →→ Étudier les expériences historiques permettant de comprendre comment le code génétique a été élucidé. Activité 3 55

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→→ Concevoir un algorithme de traduction d’une séquence d’ARN et éventuellement le programmer dans un langage informatique (par exemple Python). Activité 4 →→ Rechercher et exploiter des documents montrant la synthèse de protéines hétérologues après transgénèse (illustrant l’universalité du code génétique). Activité 1 →→ Caractériser à l’aide d’un exemple les différentes échelles d’un phénotype (moléculaire, cellulaire, de l’organisme). Activités 1 et 5 Précisions Les nombreuses catégories d’ARN, les processus de maturation des ARN, et les processus moléculaires de transcription et de traduction (avec les ARNt et ARNr) sont hors programme.

Commentaires pédagogiques En Seconde, l’ADN est posé comme support de l’information génétique, sa structure en double hélice est établie. En Première, l’étude de la réplication permet d’aborder certains mécanismes liés à la duplication des brins (rupture des liaisons hydrogène, polymérases) qui pourront être repris dans ce chapitre. Après avoir mis en place les liens ADN/information génétique et protéines (activité 1) puis protéines/ phénotype (activités 1 et 5) ainsi que les problèmes liés au changement de langage (nucléotides vs acides aminés), on envisagera les aspects fondamentaux de l’utilisation de l’information génétique : transcription (activité  2) puis traduction (activité  3). Ces bases posées, les processus de maturation de l’ARN pré-messager, d’épissage alternatif et plus généralement de régulation de l’utilisation de l’information seront envisagés (activité 4). On montrera pour terminer que l’expression du phénotype ne dépend pas uniquement du génotype, mais qu’une modulation du milieu aura également une grande part d’influence (activité 5).

BIBLIOGRAPHIE ◗◗ Ouvrages de référence -- Bruce Alberts, Biologie moléculaire de la cellule, Lavoisier, 6e édition, 2017. -- Neil Campbell, Jane Reece, Biologie, Pearson France, 9e édition, 2009. -- Harvey Lodish, Arnold Berk, Chris Kaiser, Biologie moléculaire de la cellule, De Boeck, 4e édition, 2014. -- Benjamin Pierce, L’Essentiel de la génétique, De Boeck supérieur, 2012.

◗◗ Sites internet -- https://planet-vie.ens.fr/ -- http://acces.ens-lyon.fr/acces -- https://rnbio.upmc.fr/

II. Corrigés • Compétences

Activités

p. 82-91

Activité 1 De l’ADN aux protéines • Durée estimée : 15 minutes • Objectif : Préciser la structure des protéines et la relation existant entre ADN et protéines.

Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Formuler un problème scientifique. Interpréter des résultats et en tirer des conclusions. Comprendre le lien entre les phénomènes naturels et le langage mathématique.

Pratiquer des langages

Utiliser des logiciels de traitement de données.

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Chapitre 4 : L’expression du patrimoinegénétique

Exploitation des documents Doc. 1 : l’objectif de ce document est de montrer l’universalité de la molécule d’ADN. L’introduction du gène de l’insuline humaine dans le génome bactérien (après certaines transformations nécessaires) permet par génie génétique la production industrielle d’insuline. Ce document permet de présenter une production industrielle d’une molécule biologique (Insulin city, Francfort, Sanofi®). Il peut être à l’origine de la présentation de métiers en lien avec l’industrie pharmaceutique ou l’industrie chimique. Doc. 2  : le logiciel Anagène (également possible avec le logiciel GenieGen) permet de montrer qu’une séquence de base azotée (ici, celle de la chaîne b de l’hémoglobine) permet la synthèse d’une séquence d’acides aminés correspondant à la structure primaire d’un polypeptide. La démonstration résulte dans le fait que tout changement ponctuel d’un nucléotide (A Æ T) conduit à un changement ponctuel d’un acide aminé (Glu Æ Val). Cette modification de la structure primaire du polypeptide b conduit à une possible polymérisation de l’hémoglobine S lorsque le milieu est désoxygéné. La valine est un résidu hydrophobe qui remplace un acide aminé hydrophile, l’acide glutamique. Les globines étant entourées par un film d’eau, la présence d’un site hydrophobe crée un point de contact entre deux molécules d’hémoglobines voisines (Leu 88, Phe 85 chaîne a et Val 6 de la chaîne b de l’hémoglobine voisine) d’où la création d’une structure cristalline en fibres. Au MET, le globule rouge drépanocytaire apparaît rempli de cristaux allongés. Ces cristaux sont constitués par des polymères d’hémoglobine. Le globule rouge prend alors une forme caractéristique en faucille (sickle). Doc. 3  : ce document permet de reprendre la structure de la molécule d’ADN et est l’occasion de présenter la structure des protéines. La structure primaire (séquence des acides aminés) est directement présentée en lien direct avec la colinéarité « gène-protéine ». Ce document peut être l’occasion d’évoquer la structure tertiaire de la protéine en relation avec sa fonction. Il permettra également de poser le problème des mécanismes de conversion du message génétique en une séquence d’acides aminés. Doc. 4 : on dispose de boules de 4 couleurs différentes, rouge (R), jaune (J), vert (V), bleue (B). On doit générer des combinaisons composées uni-

quement avec ces 4 couleurs mais d’une quantité toujours constante : 10. Pour une simple combinaison, il y a 4 possibilités : R, J, V, B. Pour une combinaison de 2 boules, chaque combinaison précédente fournit 4 nouvelles associations possibles, par exemple RR, RJ, RV, RB, il y a donc au total : 4 × 4 = 42. On multiplie par 4 le nombre de combinaisons possibles, toutes les fois que l’on augmente le nombre de boules. Pour 10 boules : 410 = 1 048 576 combinaisons possibles. Si on ne dispose que de 2 couleurs de boule  : 210 = 1 024. Pour une quantité limitée, un système à 4 couleurs permet une plus grande diversité des combinaisons. Pour les protéines, 20 acides aminés sont disponibles pour synthétiser un petit polypeptide de 100  AA, soit 20100 combinaisons possibles, ce qui explique l’importante diversité des protéomes et du monde vivant. Corrigés du guide de travail • L’ADN est constitué de deux chaînes nucléotidiques complémentaires au niveau de leurs bases azotées (C-G ; T-A). L’information portée par la molécule d’ADN est la séquence des nucléotides. Les protéines sont constituées d’une chaîne d’acides aminés reliés par des liaisons peptidiques. L’enchaînement des différents acides aminés se fait dans un ordre précis déterminé par la séquence de nucléotides. Il doit donc exister au sein de la cellule un système de conversion de l’information génétique en une séquence d’acides aminés. • Le message porté par la molécule d’ADN est universel, c’est-à-dire que tous les êtres vivants sur Terre en utilisent les mêmes règles : les bactéries E. coli, à partir de ce message, peuvent synthétiser des protéines humaines en utilisant un système de conversion du message identique pour tous les êtres vivants. La grande diversité des combinaisons possibles de bases azotées et d’acides aminés pour construire ces molécules est à l’origine de la diversité du monde vivant. Synthèse : Un gène codé en séquence de bases azotées sur l’ADN conduit via un système de synthèse à la production d’une protéine déterminée. 57

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Activité 2 Un messager entre le noyau et le cytoplasme • Durée estimée : 10 minutes • Objectif  : Mettre en évidence l’existence d’un support de transfert du message génétique du noyau vers le cytoplasme. Préciser sa structure et les modalités de sa synthèse. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Formuler un problème scientifique. Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Concevoir, créer, réaliser

Choisir des outils et des techniques ou des modèles simples pour mettre en œuvre une démarche scientifique.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : écrit, graphique.

Exploitation des documents Doc. 1 : l’expérience a pour but de montrer d’une part la synthèse d’un acide nucléique différent de l’ADN, l’ARN (l’uracile est spécifique de l’ARN) et d’autre part son transfert du noyau au cytoplasme. Le transfert du noyau, rendu radioactif par la présence de l’uracile, dans une amibe énuclée est suivi de la diffusion des ARN radioactifs dans l’ensemble du cytoplasme. L’expérience est très similaire à celle de Brachet (1951). Doc. 2 : l’utilisation de Rastop permet de mettre en évidence les différences structurales entre les deux types moléculaires. Rastop permet par exemple de sélectionner et de colorer de manière différente les différents nucléotides. Des logiciels équivalents type Pymol fonctionnent aussi très bien. Doc. 3 : l’utilisation d’Anagène (ou GenieGen) permet de produire la molécule d’ARN à partir de celle d’ADN. On confirme qu’elle est simple brin.

ARN synthétisés (en vert sur le schéma d’interprétation) permet de mettre en place un début et une fin de transcription. On découvre également que cette transcription est réalisée par un complexe moléculaire (l’ARN polymérase) qui se fixe et « lit » l’ADN. Le texte nous apprend que le brin d’ARN synthétisé est complémentaire d’un des deux brins de l’ADN  : le brin transcrit. De ce fait, il porte le même « message » que le brin non transcrit. Corrigés du guide de travail • Dans le noyau, un ARN, molécule différente de l’ADN, est synthétisé à partir des nucléotides présents (l’uracile est spécifique de l’ARN). Cet ARN est ensuite transféré dans le cytoplasme. C’est une copie d’un des deux brins d’ADN. • L’ADN est une longue molécule, polymère de nucléotides. Elle est bicaténaire et en double hélice : c’est une molécule très stable, porteuse de l’information génétique et qui reste dans le noyau. Au contraire, l’ARN, molécule simple brin, courte, présentant des nucléotides légèrement différents (ribose, base U à la place de T) est une molécule peu stable à durée de vie limitée et porteuse transitoire de l’information génétique. Synthèse : L’ARN polymérase se fixe à l’ADN au début du gène. Les deux brins d’ADN se séparent. L’ARN polymérase progresse en copiant un seul des deux brins, le brin transcrit, en respectant la règle de complémentarité des bases azotées. En fin de synthèse, l’ARN synthétisé et l’enzyme sont libres. Plusieurs ARN polymérase peuvent lire le gène en même temps. Complexe de transcription

ADN T G C A A T T A U U G C T A A C G T A

ARNm

La molécule d’ARN est identique à un des deux brins et complémentaire à l’autre. Peut alors être posé le problème de la synthèse de cette molécule. La réplication étant connue, l’hypothèse d’une synthèse par complémentarité des bases azotées peut être envisagée.

• Durée estimée : 10 minutes

Doc. 4 : le document permet de visualiser le processus de transcription d’un gène. Un gène apparaît ici comme une portion bien délimitée de la molécule d’ADN. Il peut être lu successivement par plusieurs complexes de transcription. La taille des

• Objectif : Comprendre le système de traduction d’un message écrit en nucléotides en une information fonctionnelle sous forme d’une séquence d’acides aminés. Identifier les grandes étapes de la synthèse protéique.

Activité 3 La traduction du message génétique et la synthèse des protéines

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Chapitre 4 : L’expression du patrimoinegénétique

• Compétences Compétences Pratiquer des démarches scientifiques

Corrigés du guide de travail Capacités associées Formuler un problème scientifique. Formuler une hypothèse, en déduire ses conséquences testables ou vérifiables. Interpréter des résultats et en tirer des conclusions. Comprendre le lien entre les phénomènes naturels et le langage mathématique.

Utiliser des outils et mobiliser des méthodes pour apprendre

Recenser, extraire, organiser et exploiter des informations à partir de documents en citant ses sources, à des fins de connaissances et pas seulement d’information.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : écrit, graphique.

Exploitation des documents Doc. 1 : urne 1 : correspondance 1 nucléotide pour 1 acide aminé. Il y a 4 possibilités de codage. Urne 2 : correspondance 2 nucléotides pour 1 acide aminé. Il y a 42 = 16 possibilités de codage. Il y a 20 acides aminés, ce n’est donc pas suffisant. Urne 3 : correspondance 3 nucléotides pour 1 acide aminé ; il y a 43 = 64 possibilités. On peut coder pour 20 acides aminés. Il y a cependant 44 triplets de trop, ce qui pose problème.

• Supposant qu’un triplet de nucléotide code pour un acide aminé, il faut déterminer l’acide aminé codé par un triplet de nucléotide donné (la lecture est non chevauchante et univoque). Un ARNm polyU est construit artificiellement et introduit dans un système acellulaire qui l’exprime. On teste tous les acides aminés. Lorsqu’un polypeptide radioactif est récupéré, on peut alors établir la correspondance entre le triplet et l’acide aminé, ici Phe. • Les éléments nécessaires à la synthèse sont : –– l’ARNm porteur du message ; –– des ribosomes ; –– des acides aminés présents dans le cytoplasme. On pourra également supposer que c’est un processus consommateur d’énergie. Synthèse : Le ribosome vient se fixer sur l’ARNm au niveau du codon initiateur et démarre la lecture de l’ARNm. À tout codon est associé l’acide aminé correspondant. Par l’établissement de liaisons peptidiques successives, la protéine se construit jusqu’au codon stop signifiant la fin de synthèse. Plusieurs ribosomes peuvent lire simultanément le même ARNm. On peut attendre un schéma relativement simple du type :

Une étude du tableau du code génétique permettra de mettre en place la redondance du code génétique et la présence de codon STOP. Doc. 2  : à partir de l’hypothèse précédente  : un acide aminé codé par un triplet de nucléotides, l’objectif est alors de connaître le sens de chaque triplet. Les 64 codons sont alors formulés au sein d’ARN synthétisés artificiellement et exprimés au sein de systèmes acellulaires de traduction. La présence d’un polymère précipité et radioactif permet d’établir la correspondance entre l’ARN et le polypeptide, entre le triplet de nucléotides et l’acide aminé incorporé. Quelques éléments de la technique mise en place peuvent être présentés : précipitation, filtration, détection de la radioactivité. On peut également insister sur la longueur de la procédure. Doc. 3 : la traduction d’un ARNm par les ribosomes est mise en place. Un seul ARN peut être lu simultanément par plusieurs ribosomes. Le mécanisme en trois étapes est explicité. Le code génétique, système de codage, est mis en place.

Activité 4 Maturation des pré-ARNm et régulation de l’expression des gènes • Durée estimée : 15 minutes • Objectif : Expliquer comment à partir d’un même génome on peut obtenir le développement harmonieux d’un organisme et assurer un bon fonctionnement cellulaire. 59

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• Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Utiliser des outils et mobiliser des méthodes pour apprendre

Recenser, extraire, organiser et exploiter des informations à partir de documents en citant ses sources, à des fins de connaissances et pas seulement d’information.

Adopter un comportement éthique responsable

Comprendre les responsabilités individuelle et collectives en matière de préservation des ressources de la planète et de santé.

Exploitation des documents Doc. 1 : la comparaison, suite à l’hybridation entre l’ADN et l’ARNm (ovalbumine), permet de mettre en place la non-complémentarité totale entre les deux séquences. Certaines zones de l’ADN ne s’hybrident pas avec l’ARNm  : les introns. Ceci nous conduit à penser qu’il existe un processus de maturation entre l’ARN produit par le processus de transcription (appelé pré-ARNm) et l’ARNm disponible dans le cytoplasme et à l’origine de la synthèse protéique : l’épissage. Doc. 2 : le Tilapia étant un poisson d’importance économique majeure, de très nombreuses études existent, notamment dans le but d’accélérer sa maturité sexuelle ou de faire des poissons plus gros. Dans le cadre du programme, on met ici en place le fait que la testostérone, une hormone, peut avoir un effet sur la quantité d’ARNm produit par des cellules hypophysaires : il y a donc régulation de la transcription, à savoir qu’on peut agir sur l’expression des gènes et faire en sorte que certains soient exprimés et pas d’autres (ici cas du gène de GH). On peut également intervenir sur le niveau d’expression des gènes en régulant la quantité d’ARNm produite et par conséquent la quantité de protéines produites. Pour aller plus loin, on peut discuter sur : –– Les quantités d’ARNm en jeu (Les variations enregistrées sont-elles significatives  ? À quel moment un résultat scientifique peut-il être validé et sous quelles conditions ?). –– Pour GtHIb : un effet-dose limitant : l’augmentation de la quantité de testostérone semble avoir à partir d’une certaine concentration un effet contraire. –– Pour GtHIIb  : une réponse non linéaire qui semble présenter une certaine cyclicité.

Plus largement, on peut amener les élèves à réfléchir sur la conduite de ces élevages intensifs de Tilapia en bassin avec une nourriture optimisée pour faire rapidement des poissons plus gros, plus matures. Doc. 3 : une cascade d’épissages alternatifs produit chez la drosophile les protéines conduisant à la différenciation des sexes. On observe sur le document électrophorétique la présence de taches uniquement chez la femelle. Elles paraissent de plus en plus denses avec l’âge de l’organisme. Les protéines Sxl (sex-lethal) sont caractéristiques des femelles. La protéine ne semble pas synthétisée au début du développement larvaire. Sa synthèse augmente ultérieurement. Comme dans le cas du Tilapia, une discussion sur les problèmes de concentration peut être envisagée. Dans l’embryon mâle, la protéine Slx n’est pas produite. En l’absence de protéine Slx, l’intron du pré-ARNm Tra est excisé à un site différent, ce qui conduit à la production d’une forme non fonctionnelle de la protéine Tra. L’absence de protéine Tra fonctionnelle chez l’embryon mâle est à l’origine d’une excision-épissage différente du pré-ARNm Dsx de chez l’embryon femelle et une protéine spécifique du sexe mâle est produite, conduisant au développement des caractéristiques mâles. Corrigés du guide de travail • L’ARN prémessager (pré-ARNm) (L, A, 1, B, 2, C, 3, D, 4, E, 5, F, 6, G, 7) est différent de l’ARNm (L, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7). L’ARNm subit dans le noyau des étapes de coupure et ligature qui conduisent à l’élimination de certaines régions dans l’ARN final  : c’est l’excision-épissage. Les segments conservés s’appellent des exons et ceux éliminés s’appellent des introns. • L’expression du génome peut être régulée de différentes manières. Des hormones peuvent moduler l’expression de certains gènes. Ainsi, chez le Tilapia on observe dans les cellules hypophysaires une variation de la quantité d’ARNm des gonadotropines transcrits en réponse à l’action de la testostérone appliquée en concentration croissante. GtHIb : la transcription semble maximale à 0,01 nM (nanomole·L–1) de testostérone. Ensuite, la transcription ralentit.

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Chapitre 4 : L’expression du patrimoinegénétique

GtHIIb : on observe une tendance à l’augmentation de la transcription avec l’augmentation de la concentration en testostérone.

• Compétences Compétences

Capacités associées

Il ne semble pas avoir d’action sur la production de GH.

Pratiquer des démarches scientifiques

Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

La transcription (quantité d’ARNm produit) dans les cellules hypophysaires est dépendante de la quantité de testostérone. La transcription de gènes peut être régulée par des molécules (ici hormones) extérieures à la cellule.

Utiliser des outils et mobiliser des méthodes pour apprendre

Recenser, extraire, organiser et exploiter des informations à partir de documents en citant ses sources, à des fins de connaissances et pas seulement d’information.

Pratiquer des langages

Conduire une recherche d’informations sur internet en lien avec une question scientifique en choisissant des mots-clés pertinents et en évaluant la fiabilité des sources et la validité des résultats.

Adopter un comportement éthique responsable

Comprendre les responsabilités individuelle et collectives en matière de préservation des ressources de la planète et de santé.

Un épissage alternatif conduit à produire chez la drosophile, à partir des mêmes gènes, une absence de production de protéines ou des protéines caractéristiques d’un sexe donné. D’après l’électrophorèse, il apparaît que les protéines Sxl (sex-lethal) sont caractéristiques des femelles. La protéine ne semble pas synthétisée au début du développement larvaire. Sa synthèse augmente ultérieurement. Dans l’embryon mâle, la protéine Slx n’est pas produite. En l’absence de protéine Slx, la protéine Tra n’est pas produite. On a alors une excision-épissage différente du pré-ARNm Dsx ce qui conduit à une protéine de type mâle. Synthèse : Il est possible de réguler l’expression des gènes et de produire ainsi à partir d’un même génome des protéines différentes, responsables des caractéristiques cellulaires et du phénotype. L’épissage alternatif permet à partir d’une même séquence de nucléotides d’obtenir des protéines différentes.

Exploitation des documents Doc. 1  : la drépanocytose est ici caractérisée au niveau de l’organisme (fatigue chronique, pâleur, tuméfactions douloureuses dit syndrome « piedsmains », AVC) et de la cellule (anémie hémolytique, globules rouges en forme de faucille). Le lien est alors fait avec l’activité  1, document  2, puisque l’allure anormale des hématies peut être mise en rapport avec l’association des molécules d’hémoglobine leur conférant un aspect fibreux. Cette polymérisation anormale est liée à un changement ponctuel d’un acide aminé (Glu Æ Val), lui-même lié à une mutation ponctuelle d’un nucléotide (A Æ T). Une information complémentaire sur la drépanocytose est disponible au niveau d’un dossier Inserm : https://www.inserm.fr/information-en-sante/ dossiers-information/drepanocytose

Des hormones peuvent également agir sur l’expression des gènes.

Activité 5 L’expression du phénotype • Durée estimée : 15 minutes • Objectif : Comprendre les relations entre phénotype, génotype et environnement.

Doc. 2 : il a pour objectif de montrer l’influence du milieu sur l’établissement du sexe chez les alligators. La protéine thermosensible régule la quantité d’ARNm et donc l’expression d’un gène produisant une hormone intervenant dans la différenciation sexuelle mâle. Lorsque l’on inhibe la protéine thermosensible, moins d’ARNm de l’hormone masculinisante est synthétisée. Moins de mâles sont donc présents. L’augmentation en concentration de cette protéine induit donc la différenciation des alligators dans le sens mâle. 61

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La détermination du sexe est donc modulée par l’environnement. Les barres d’erreur représentent ici l’erreur standard de la moyenne ou SEM, elles sont considérées comme l’écart-type de la distribution (théorique) de toutes les erreurs qui seraient commises au cours des mesures. Leur présence permet de discuter de la validité d’un résultat scientifique. Doc. 3 : il a pour objectif de montrer l’influence du milieu de vie, ici l’alimentation, sur la susceptibilité de développer certaines pathologies chez des souris présentant une forme allélique Avy du gène Agouti intervenant dans l’établissement de la couleur du pelage. Le lot 1 est constitué de souris gestantes présentant un régime alimentaire enrichi en vitamine B : la majorité des descendants (mais pas tous) sont bruns et en bonne santé, ce qui n’est pas le cas pour les souris du lot 2 ayant reçu une alimentation normale. Les dérivés vitaminiques génèrent des méthylations sur les cytosines et modifient les processus de transcription. On pourra utiliser cet exemple pour relier certaines pathologies humaines à des prédispositions génétiques et à une alimentation plus ou moins saine (obésité, diabète de type II, maladies cardiovasculaires, etc.).

Chez les souris gestante Agouti, une alimentation enrichie en vitamine B protège les descendants en majorité bruns et non agoutis du développement de certaines pathologies. Les dérivés vitaminiques semblent interagir avec la molécule d’ADN, générant des méthylations sur des cytosines et modifiant ainsi les processus de transcription.

Corrigés du guide de travail Les différents niveaux d’étude du phénotype sont : –– l’organisme (pâleur, fatigue chronique, tuméfactions douloureuses, syndromes « pieds-mains », occlusions vasculaires) ; –– la cellule (anémie hémolytique, forme en faucille) ; –– la molécule d’hémoglobine (aspect fibreux, polymérisation) ; changement ponctuel d’un acide aminé (Glu Æ Val) au niveau de la sous-unité b. • L’environnement interagit avec le génotype dans la mise en place du phénotype. Chez les alligators, l’augmentation de la température provoque une plus grande synthèse d’une protéine thermosensible qui induit la production d’hormones masculinisantes.

S’entraîner

ADN (brin non transcrit) ADH

AVT

TGC

TAC

TTC

Synthèse : Génotype : Ensemble des gènes d’un organisme

Phénotype moléculaire : Séquences en acides aminés, structures, propriétés des protéines

Code génétique

L’ENVIRONNEMENT

Phénotype macroscopique : Caractères observables à l’échelle de l’organisme

Les protéines contrôlent l’activité cellulaire. Phénotype cellulaire : Caractéristiques structurales et fonctionnelles des cellules d’un organisme

L’activité des cellules conditionne le fonctionnement des tissus et organes.

p. 97-99

6. Expression de deux gènes — Voir le tableau en bas de page. —

7. Le lieu de la synthèse des protéines • On cherche à identifier le lieu de synthèse des protéines. Des cellules avec et sans noyau sont mises à incuber avec un acide aminé radioactif, on cherche donc à localiser l’assemblage des protéines. On observe que la radioactivité est localisée dans le cytoplasme tant chez les cellules énucléées que pour les cellules avec noyau (doc. 1). La synthèse des protéines a donc lieu dans le cytoplasme des cellules. CAG

AAC

TGC

CCG

AGG

GGC

ARNm

UGC

UAC

UUC

CAG

AAC

UGC

CCG

AGG

GGC

Séquence protéique

Cys

Tyr

Phe

Gln

Asn

Cys

Pro

Arg

Gly

ADN (brin transcrit)

ACG

ATG

TAG

GTC

TTG

ACG

GGG

GAC

CCT

ARNm

UGC

UAC

AUC

CAG

AAC

UGC

CCC

CUG

GGA

Séquence protéique

Cys

Tyr

Ile

Gln

Asn

Cys

Pro

Leu

Gly

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Chapitre 4 : L’expression du patrimoinegénétique

De plus, cette synthèse est possible même sans noyau (doc.  1), ce qui suggère l’existence d’une molécule intermédiaire qui véhicule l’information depuis le noyau jusqu’au cytoplasme. • L’ADN ne peut sortir du noyau car les pores nucléaires ont un diamètre de 1 angstrom alors que le diamètre de la double hélice de l’ADN est de 20 angstrom (= 2 nm). Un intermédiaire est donc indispensable.

8. Faire un plan détaillé d’une question de synthèse Introduction (définir les mots clés du sujet – formuler la problématique – annoncer le plan) Le phénotype désigne l’ensemble des caractères observables d’un individu. Il se définit à plusieurs échelles toutes reliées les unes aux autres. Ainsi le phénotype macroscopique (visible à l’œil nu) est déterminé par les caractéristiques des cellules impliquées. Le phénotype cellulaire est déterminé par les molécules présentes dans ces cellules. On cherche à comprendre l’origine de ce phénotype moléculaire que nous traiterons dans une première partie puis, dans un second temps, comment l’environnement peut modifier l’expression de ces phénotypes. Des exemples précis illustreront nos éléments de réponse. I. L’origine du phénotype moléculaire : l’expression des gènes Mécanismes moléculaires de la transcription, de la maturation et de la traduction à travers l’exemple de l’alpha globine. Conséquences des mutations (modifications de la séquence de nucléotides) sur la synthèse des protéines. Ex. : drépanocytose. II. L’influence de l’environnement sur l’expression des gènes Définition de l’épigénétique – Facteurs physiques (température) / Facteurs chimiques (perturbateurs endocriniens). Conclusion (réponse précise à la problématique) Toutes les cellules d’un organisme possèdent la même information, c’est également le cas chez deux individus jumeaux monozygotes. Cependant, leur phénotype est différent. L’ensemble des caractères d’un individu est défini par l’expression de cette information génétique (transcription, traduction) aboutissant à la synthèse de protéines. L’activité des gènes est modulée par l’influence de

l’environnement (température, molécules ressemblant aux hormones endogènes).

9. L’induction de la synthèse protéique chez les végétaux • Concernant le protocole : Pour réaliser cette autoradiographie, les précurseurs utilisés sont des acides aminés radioactifs, car ce sont les précurseurs des protéines. Une protéine est un enchaînement d’acides aminés. • Concernant les résultats : On constate que les molécules 5 et 6 ne sont synthétisées qu’en présence d’auxine. On observe que la synthèse des molécules 1, 2, 3 et 4 est plus faible en absence d’auxine. Les protéines 1, 2, 3 et 4 sont synthétisées en absence d’auxine (taches claires) mais leur synthèse est plus intense en présence d’auxine (taches plus sombres). • Concernant la conclusion : La comparaison des deux autoradiographies permet de déduire que l’auxine contrôle l’expression des gènes du pois.

Vers le bac

p. 100-102

10. La synthèse des protéines Il s’agit d’un sujet de question de synthèse qu’il convient de travailler d’abord au brouillon.

11. L’expérience de Brachet On cherche à montrer l’importance de l’ARN dans la synthèse des protéines en s’appuyant sur les résultats expérimentaux de Jean Brachet en 1951 (structure de l’ADN découverte en 1953 !). Les cellules sont incubées avec un nucléotide spécifique de l’ARN, l’uracile, marqué par la radioactivité soit pendant un temps assez court (15  minutes) soit pendant un temps plus long (88 minutes). Le 1er lot permettra de déduire le lieu de l’assemblage des ARN et le 2e lot permettra de découvrir le devenir de cette molécule une fois synthétisée. Après 15 minutes d’incubation, la radioactivité est révélée dans le noyau, donc l’ARN est une molécule produite dans le noyau. Après 88  minutes d’incubation, les molécules radioactives qui ont incorporés l’uracile sont pré63

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Livre du professeur – SVT 1re

sentes dans le cytoplasme. Ainsi, on peut en déduire que les ARN, une fois synthétisés, se déplacent dans le cytoplasme (lieu de synthèse des protéines).

12. Des colorants spécifiques On cherche à montrer par coloration le rôle de l’ARN dans la synthèse des protéines. Si les deux molécules (ADN et ARN) ne sont pas sensibles aux mêmes colorants alors, après coloration, on constate que le colorant qui se fixe sur l’ARN est présent dans le cytoplasme et dans le noyau alors que le colorant fixé sur l’ADN n’est présent que dans le noyau.

13. Le syndrome de Hutchinson-Gilford ou progéria On cherche à relier les différentes échelles du phénotype de la progéria ainsi que son génotype. On observe que l’enfant est hétérozygote pour le gène LMNA. En effet il possède à la fois l’allèle LMNA+ et l’allèle LMNA-. Ce dernier présente une mutation d’une cytosine par une thymine (génotype). Les parents étant homozygotes, la mutation est due au hasard. La synthèse de la lamine A aboutit à la synthèse de deux protéines (phénotype moléculaire) qui n’assurent pas le même rôle. La lamine A associée au farnésyl s’insère dans la membrane du noyau et contribue à soutenir sa forme. Au contraire, à cause de la synthèse de la progérine qui ne peut se détacher du farnésyl, la forme du noyau est décousue (phénotype cellulaire). Les cellules de ces individus ont une faible durée de vie engendrant les symptômes décrits par le document 1 (phénotype macroscopique)  : alopécie, peau fine, croissance lente etc.

14. Le diagnostic de maladies liées à l’hémoglobine Il existe deux grands types de maladies liées à l’hémoglobine : –– celles liées à une modification de la séquence de nucléotides engendrant un ou des changements d’acides dans la séquence sans modification de la taille de la protéine. C’est le cas de l’hémoglinose C où le codon 7 présente une substitution entraînant le remplacement d’un acide glutamique par une lysine ;

–– celles liées à la taille de la protéine, c’est le cas des thalassémies où le codon 18 (AAG) codant la lysine présente une mutation, le codon devient UAG codon stop. L’électrophorèse permet de discriminer les molécules en fonction de leur poids moléculaire. Or les protéines d’hémoglobine sont de taille différente selon l’origine de l’anomalie (structure ou synthèse doc.  1), il paraît donc judicieux d’utiliser l’électrophorèse. Si le patient est atteint d’une hémoglobinose C alors ses molécules d’hémoglobine ont une séquence différente de la séquence sauvage. L’acide aminé Lysine remplace l’acide glutamique. Or ces deux acides aminés diffèrent par deux éléments : l’acide glutamine est plus chargé négativement que la lysine, de plus le poids moléculaire de deux molécules ne sera pas identique : la lysine est légèrement plus lourde que l’acide glutamine. On peut donc en supposer que le dépôt de l’échantillon du patient migre un peu moins loin que l’échantillon témoin.

Parcours d’orientation

p. 103

Métier : Agnès, journaliste scientifique Les différences sur la forme entre l’article scientifique et l’article du quotidien sont facilement identifiables. Il convient de réfléchir au fond du sujet, notamment un travail sur le titre accrocheur peut être effectué.

Actualité scientifique : Des ribosomes modifiés dans les cellules cancéreuses Les ribosomes sont les acteurs de la traduction du message porté par l’ARN messager en séquences peptidiques formant une protéine. Ces protéines sont les molécules qui participent majoritairement au fonctionnement cellulaire. Dans les cellules cancéreuses, l’équipe lyonnaise a découvert que les ribosomes subissent une méthylation du fait de mutations du patrimoine génétique. Le ribosome méthylé traduit en priorité des protéines participant à la survie de la cellule alors que cette cellule devrait être identifiée comme cancéreuse et devrait être détruite par le système immunitaire.

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Chapitre 5 : Les enzymes, des biomolécules aux propriétés catalytiques

CHAPITRE 5  Les enzymes, des biomolécules aux propriétés catalytiques

Manuel p. 104-121

I. Introduction Programme Connaissances Les protéines enzymatiques sont des catalyseurs de réactions chimiques spécifiques dans le métabolisme d’une cellule. Activités 1 et 2 ; exercices 6, 8, 9 et 12 La structure tridimensionnelle de l’enzyme lui permet d’interagir avec ses substrats et explique ses spécificités en termes de substrat et de réaction catalytique. Activités 2 et 3 ; exercices 9, 12 et 13 Notions fondamentales Catalyse, substrat, produit, spécificité. Objectifs Il s’agit de montrer que les enzymes, issus de l’expression génétique d’une cellule, sont essentiels à la vie cellulaire et sont aussi des marqueurs de sa spécialisation. Capacités →→ Étudier les relations enzyme-substrat au niveau du site actif par un logiciel de modélisation moléculaire. Activité 3 ; exercice 13 →→ Concevoir et réaliser des expériences utilisant des enzymes et permettant d’identifier leurs spécificités. Activité 2 ; exercices 6 et 8 →→ Étudier des profils d’expression de cellules différenciées montrant leur équipement enzymatique. Activité 3 ; exercice 7 →→ Étudier l’interaction enzyme-substrat en comparant les vitesses initiales des réactions et faisant varier soit la concentration en substrat ; soit en enzyme. Utiliser des tangentes à t0 pour calculer la vitesse initiale. Activité 2 ; exercices 6 et 12 Précisions Les caractéristiques de la cinétique enzymatique, les compétitions au site actif ne sont pas attendues. Le contrôle de l’activité enzymatique par des effecteurs (ex. : T, pH) peut être utilisé par le professeur dans sa démarche mais n’est pas un attendu du programme.

Commentaires pédagogiques Les enzymes issues de l’expression génétique, de nature protéique, sont essentielles à la vie cellulaire. En effet, la vie cellulaire se caractérise par la réalisation de diverses réactions chimiques qui permettent la synthèse de molécules organiques et la production d’énergie utilisable par la cellule. Ces réactions chimiques sont lentes : leur vitesse est donc incompatible avec la vie cellulaire. Il existe des catalyseurs permettant d’accélérer la vitesse de ces réactions et donc permettant la vie cellulaire (activité 1). Ces catalyseurs ont des propriétés particulières, mises en évidence notamment par l’étude de la vitesse initiale des réactions : ce sont des catalyseurs spécifiques de substrat et de réaction (activité 2). Cette double spécificité peut être mise en relation avec la structure protéique des enzymes et notamment avec la présence d’un site actif (activité 3). Cette spécificité a pour conséquence que les cellules ne présentent que les activités dont les enzymes sont présentes : les enzymes sont des marqueurs de la spécialisation cellulaire (activité 3).

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BIBLIOGRAPHIE ◗◗ Ouvrages de référence -- Bernard Augère, Les enzymes, biocatalyseurs protéiques, Ellipses, 2001. -- Xavier Coumoul, Frédéric Dardel, Étienne Blanc, Mémo visuel de biochimie, Dunod, 2018. -- Lubert Stryer, Jérémy Berg, John Tymoczko, Biochimie, Lavoisier-Médecine sciences, 2008.

◗◗ Sites internet -- Librairie de molécules : www.librairiedemolecules.education.fr -- Un site dédié au développement des activités scientifiques pratiques dans l’enseignement des SVT : www.didier-pol.net

–– À partir des documents 4 et 5, valider ou infirmer, en argumentant, l’hypothèse proposée.

II. Corrigés Activités

p. 106-111

Activité 1 Mise en évidence d’une activité enzymatique cellulaire • Durée estimée : 40 minutes • Consigne : Montrer que les changements observés lors de la maturation de la banane dépendent de l’activité de catalyseurs biologiques, les enzymes. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Observer, questionner, formuler une hypothèse. Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Concevoir, créer, réaliser

Mettre en œuvre un protocole.

Pratiquer des langages

Communiquer sur ses démarches, ses résultats et ses choix en argumentant. Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : oral.

Adopter un comportement éthique et responsable

Participer à l’élaboration de règles de sécurité et les appliquer au laboratoire.

Exploitation possible des documents avec vos élèves –– Décrire, à partir des documents 1 et 2, les changements observés aux échelles macroscopique, cellulaire et moléculaire lors de la maturation de la banane. –– En utilisant les informations du document  3, proposer une hypothèse expliquant les changements observés lors de la maturation.

Connaissances utiles –– Un catalyseur est une substance chimique capable d’augmenter la vitesse d’une réaction, sans en changer ni le sens ni le résultat, et retrouvée intacte à la fin de la réaction. –– Toute réaction spontanée s’effectue si on lui en laisse le temps, mais sa vitesse de réalisation est trop lente et n’est donc pas compatible avec la vie cellulaire. –– Les enzymes sont donc des catalyseurs nécessaires à la vie cellulaire. –– Le contenu en enzymes d’une cellule peut évoluer au cours de sa vie. Propositions de mise en œuvre →→ Possibilité de faire travailler les élèves en binôme pour le document  1, chacun fait la manipulation, soit pour la banane mûre soit pour la banane non mûre. Ils mettent en commun leurs observations. Le manuel sert de document de secours. →→ La formulation d’hypothèses peut se faire collectivement, les hypothèses sont retranscrites sur un mur collaboratif. →→ Possibilité de faire travailler les élèves en binôme pour les documents 4 et 5. Ils se partagent le travail équivalent au document 4, étudient seuls le document 5 puis mettent en commun leurs conclusions et valident ou infirment les différentes hypothèses formulées collectivement en complétant le mur collaboratif. →→ Un bilan en classe entière permet de confronter les différents arguments formulés pour valider ou infirmer les hypothèses.

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Chapitre 5 : Les enzymes, des biomolécules aux propriétés catalytiques

Activité 2 Étude expérimentale de la catalyse enzymatique • Durée estimée : 50 minutes • Objectif  : Comprendre le mode d’action des enzymes par l’analyse des vitesses de réaction lorsque les conditions expérimentales varient. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Concevoir, créer, réaliser

Mettre en œuvre un protocole.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : graphique.

Adopter un comportement éthique et responsable

Participer à l’élaboration de règles de sécurité et les appliquer au laboratoire.

n’y a pas eu hydrolyse de la cellulose. Cette absence d’hydrolyse n’est pas liée à une incapacité de la cellulose à être hydrolysée puisqu’elle peut l’être en présence d’autres enzymes, les cellulases. L’amylase n’est donc capable d’hydrolyser que l’amidon. On dit qu’il y a spécificité de substrat. Remarques  : la liqueur de Fehling permet de mettre en évidence la présence de fonctions réductrices. Une de ces fonctions est libre dans le maltose alors que ces fonctions ne le sont pas dans l’amidon car elles participent aux liaisons entre glucoses. Le test à la liqueur de la Fehling au temps 0 de l’expérience donne une couleur bleue pour l’amidon. L’acide chlorhydrique est capable de catalyser divers types de réactions chimiques alors que l’amylase ne catalyse qu’une réaction de type hydrolyse. On dit qu’il y a spécificité de réaction.

Exploitation des documents

Corrigés du guide de travail

Doc. 1 : sur les 5 premières minutes, la courbe est linéaire et donc confondue avec le vecteur tangente. Le calcul de la vitesse initiale peut donc se faire en utilisant les points 5 et 0 minutes. La vitesse initiale pour l’eau (témoin) est quasi nulle, celle pour l’amylase est 10 fois plus élevée que pour le témoin.

• Pour la courbe amylase : 0,325–0,225 = 5

0,100 = soit 0,020 absorbance/min. 5

Pour la courbe eau : 0,320-0,310 = 5

0,010 = soit 0,002 absorbance /min. 5

Cela confirme ce qui est a été vu en activité  1  : l’amylase accélère la vitesse de réaction, caractéristique des catalyseurs.

• La catalyse enzymatique présente une spécificité de substrat.

Ce document peut servir de document de secours si les élèves n’obtiennent pas de résultats satisfaisants.

Lorsque la concentration en substrat augmente, la vitesse initiale augmente puis devient maximale (plateau de saturation). Il y a saturation de l’enzyme par le substrat.

Une animation détaille les différentes étapes de calcul. Doc. 2 : la courbe est hyperbolique, elle présente un plateau quand la concentration en amidon, substrat, devient trop élevée (au-delà de 1 g/L). Ce plateau retranscrit un phénomène de saturation de l’enzyme par le substrat. Le plateau est appelé plateau de saturation. Doc. 3 : la courbe est une droite de pente positive : la vitesse initiale augmente quand il y a augmentation de la concentration en enzyme. La quantité d’enzyme est donc un facteur limitant. C’est ce qui explique le plateau de saturation vu dans le document 2. Doc. 4 : le test à la liqueur de Fehling montre qu’il y a eu hydrolyse de l’amidon en maltose mais qu’il

Lorsque la concentration en enzyme augmente, la vitesse intiale augmente. L’enzyme est donc un facteur limitant de la catalyse. Synthèse : La saturation de l’enzyme par le substrat confirme l’hypothèse de formation d’un complexe enzyme-substrat. Le substrat se fixe sur l’enzyme : quand toutes les molécules d’enzyme ont fixé le substrat, il ne peut pas y avoir plus de substrat fixé, la vitesse initiale est donc maximale et ne peut plus augmenter. L’augmentation de la vitesse initiale lorsque la concentration en enzyme augmente montre que l’enzyme est un facteur limitant. Ceci est concordant avec les résultats précédents. S’il y a plus de 67

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molécules d’enzyme présentes alors plus de complexes enzyme-substrat peuvent se former simultanément et plus de substrat est transformé en produit simultanément. La vitesse initiale augmente donc. L’hypothèse de Michaelis-Menten est donc validée. Les propriétés des enzymes correspondent aux caractéristiques qui ne sont pas observées chez les catalyseurs chimiques : ce sont une spécificité de substrat et une spécificité de réaction.

Activité 3 Nature protéique des enzymes et spécialisation cellulaire • Durée estimée : 40 minutes • Objectif  : Comprendre en quoi la nature protéique des enzymes détermine leurs propriétés à l’échelle moléculaire et cellulaire. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Concevoir, créer, réaliser

Mettre en œuvre un protocole.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : écrit.

Adopter un comportement éthique et responsable

Participer à l’élaboration de règles de sécurité et les appliquer au laboratoire.

Exploitation des documents Doc. 1 : l’utilisation du logiciel Rastop montre qu’il existe une interaction étroite entre enzyme et substrat au niveau d’une cavité. Ceci est à mettre en relation avec les phénomènes de saturation vus en activité 2 ainsi qu’avec la discussion sur l’hypothèse de Michaelis-Menten. Le degré de conservation des acides aminés en contact avec le substrat suggère leur importance. Il est possible ainsi d’amener la notion de site  : zone tridimensionnelle de forme particulière et bordée par des acides aminés spécifiques. Dans le cas des enzymes, ce site est appelé site actif. Le texte indique qu’il existe deux parties dans le site : le site de fixation du substrat et le site catalytique où a lieu la réaction. Doc. 2  : ce document est dans la continuité du précédent. Muter un des acides aminés les plus conservés annule l’activité catalytique de l’enzyme. Ceci confirme l’importance de la structure du site.

Cette étude permet d’établir le lien avec l’expression génétique, conformément au programme. La position des acides aminés dans la séquence (197, 233, 300) permet de compléter la notion de site : zone tridimensionnelle de forme particulière et bordée par des acides aminés spécifiques éloignés dans la séquence peptidique. Cela montre l’importance du reploiement de la protéine (ceci peut être complété par l’expérience d’Anfinsen, expérience historique). Doc. 3 : l’immunomarquage, marquage spécifique, permet de montrer la localisation de la RubisCO uniquement dans les cellules du mésophylle. Les cellules ont donc un contenu spécifique en enzyme. On peut conclure également que seules les cellules du mésophylle réalisent la photosynthèse. Doc. 4 : les résultats de marquage montrent que les cellules de type I contiennent la succinate déshydrogénase et que les cellules de type II contiennent la glycérophosphate déshydrogénase. On peut déduire que ces cellules réalisent les voies métaboliques dont elles possèdent les enzymes. Les cellules de type I réalisent la respiration et celles de type II la fermentation. Or la respiration permet une production importante d’ATP à vitesse lente, ce qui est complémentaire du type de myosine et des caractéristiques des cellules de type I, résistantes à la fatigue et à contraction faible et lente. Ces cellules sont les composantes majoritaires des muscles posturaux qui fonctionnent sur de longues durées. La fermentation permet une production d’ATP faible mais rapide. Ceci est complémentaire du type de myosine et des caractéristiques des cellules II, peu résistantes à la fatigue mais à contraction rapide et forte. Ces cellules sont les composantes majoritaires des muscles actifs qui fonctionnent sur de courtes durées. On peut donc conclure que les enzymes permettent une spécialisation cellulaire. Corrigés du guide de travail • L’activité  2 permet de conclure à la formation d’un complexe enzyme-substrat. Ce complexe se forme par interaction entre enzyme et substrat au niveau d’un site, zone tridimensionnelle de forme particulière et bordée par des acides aminés spécifiques éloignés dans la séquence peptidique. • Les cellules ne contiennent pas les mêmes enzymes. Ces enzymes sont spécifiques de substrat et de réaction. Seules les réactions dont les

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Chapitre 5 : Les enzymes, des biomolécules aux propriétés catalytiques

enzymes sont présentes peuvent se réaliser. Les cellules ne réalisent donc que les réactions catalysées par les enzymes qu’elles possèdent. Les cellules sont donc spécialisées et les enzymes sont des marqueurs de la spécialisation cellulaire. Synthèse : Les enzymes sont des protéines. Ces protéines présentent une structure tridimensionnelle particulière. Cette structure aménage une cavité de forme particulière bordée par des acides aminés spécifiques éloignés dans la séquence peptidique. Cette cavité est appelée site actif dans le cas des enzymes. Le site actif est constitué de deux parties, le site de fixation qui permet la fixation du substrat et ainsi la formation du complexe enzyme-substrat (d’où le phénomène de saturation observé), et le site catalytique qui permet la réalisation de la réaction chimique. Ces deux sites expliquent la double spécificité des enzymes, de substrat et de réaction. Le contenu spécifique des cellules en enzymes et la propriété de double spécificité des enzymes font que les enzymes sont des marqueurs de la spécialisation cellulaire.

S’entraîner

p. 117-118

5. Traduire un texte en schéma — Voir le schéma en bas de page. —

6. Influence de la nature du substrat sur la cinétique enzymatique de la pepsine Calcul de la vitesse initiale : –– Caséine : –– Gluten :

16,07

5 11,81 5

= 3,21 % d’azote soluble/minute

= 2,36 % d’azote soluble/minute

L’hydrolyse de la caséine, protéine du lait, est plus rapide que l’hydrolyse du gluten des céréales. Ceci peut expliquer la différence de digestibilité des aliments protéiques.

7. Activité de la télomérase et cellules cancéreuses Les tissus adjacents aux tumeurs étudiées constituent les témoins. Quasiment aucun de ces tissus ne présente une activité de la télomérase alors que quasiment toutes les cellules des tumeurs testées présentent une activité de la télomérase. On peut donc supposer que la cancérisation des cellules est liée à l’activité de la télomérase. Or la télomérase est présente dans des cellules capables de se diviser. Les cellules cancéreuses ont la propriété de se diviser. Il existe donc un lien. Remarque  : il n’est par contre pas possible de savoir si c’est l’action de la télomérase qui provoque la cancérisation des cellules ou si c’est la cancérisation des cellules qui provoque une activité de la télomérase plus importante (preuve en est que l’activité est forte dans des cellules germinales, non cancéreuses). On ne peut ici que parler de corrélation mais pas de relation de causalité. Cette différence est importante à faire appréhender aux élèves. C’est aussi pour cela que l’énoncé demande une hypothèse de l’origine et non l’origine.

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8. Les marqueurs RFLP : une technique exploitant les propriétés des enzymes La propriété des enzymes exploitée ici est la spécificité de substrat : elles ne reconnaissent qu’une séquence particulière de l’ADN, qu’elles coupent. Les deux allèles présentent un nombre de sites de coupure différent. La conséquence est que l’action de l’enzyme donnera des fragments en nombre et de longueur différents. L’action sur l’allèle bA donnera deux fragments de 1,2 kb et 0,2 kb alors que l’action sur l’allèe bS donnera un fragment de 1,4 kb. Le père et la mère présentent les 3 fragments : ils sont hétérozygotes bAbS. Le premier enfant de sexe féminin ne présente que le fragment 1,4 kb : il est donc homozygote bSbS. Le fœtus présente le même profil que les parents : il est donc également hétérozygote bAbS.

Vers le bac

tation des résultats être vigilant à n’avoir qu’un des deux paramètres qui varie. –– Effet de la température : prendre par exemple la condition lipase libre. Le calcul de la vitesse initiale se fait sur la partie linéaire de la courbe de 0 à 1 h. À 40 et 50 °C : même vitesse initiale de 0,2 unité arbitraire par heure environ. À 60 °C vitesse initiale de 0,8 unité arbitraire par heure environ. La température a donc un effet : l’enzyme est plus efficace à 60 °C. –– Effet de l’immobilisation de l’enzyme : Vitesse initiale de la lipase immobilisée à 60 °C : 0,5 unité arbitraire par heure environ. La lipase libre est donc plus efficace que la lipase immobilisée.

13. Orlistat, médicament contre l’obésité p. 119-120

9. Les enzymes, des biocatalyseurs spécifiques L’exposé doit reprendre les éléments des parties 1 et 2 du cours.

10. Les enzymes, des marqueurs de la spécialisation cellulaire L’exposé doit reprendre la partie 3 du cours.

11. La protection de la peau par un pigment, la mélanine La stratégie est d’extraire la tyrosinase des champignons de Paris, de mettre en présence la tyrosinase et la tyrosine, substrat incolore de la tyrosinase. Si les conditions de fonctionnement (température, pH) de l’enzyme sont respectées, alors la réaction doit se produire : le produit, c’està-dire la mélanine, doit se former. La solution doit donc devenir brun/noir.

12. Effet de la température sur l’activité enzymatique Ici deux paramètres sont étudiés : la température et la fixation de l’enzyme. Il faut donc dans l’exploi-

Dans le document 2, le lot contrôle est le témoin négatif et le lot nourri avec un régime riche en graisses est le témoin positif. La comparaison des deux témoins montre qu’un régime riche en graisse provoque une augmentation de la masse corporelle finale (×  1,33 environ), de la quantité totale de triglycérides dans le sang (× 1,5 environ) et de l’activité de la lipase pancréatique (× 2 environ). La prise alimentaire est inchangée au vu des écart-types. Pour le lot nourri avec un régime riche en graisses et traité avec l’Orlistat, il n’y a aucune prise de masse corporelle alors que la prise alimentaire est cette fois-ci augmentée de 30 % environ par rapport au lot contrôle. La quantité de triglycérides dans le sang est inchangé, vu les écart-types, et l’activité de la lipase est diminuée de moitié environ. Donc l’Orlistat empêche les effets du régime riche en graisse voire provoque un effet contraire. Le document  3 montre que l’Orlistat se fixe au niveau du site actif de la lipase à la place du substrat. Donc il bloque l’action de la lipase en bloquant le site actif. Le document  1 montre que la lipase permet la digestion des triglycérides. Donc l’Orlistat, en bloquant la lipase, bloque la digestion des triglycérides, ce qui explique les observations faites dans le document 2.

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Chapitre 5 : Les enzymes, des biomolécules aux propriétés catalytiques

Parcours d’orientation

p. 121

Métier : Marie, technicienne de laboratoire d’analyses Les enzymes ASAT et ALAT sont des enzymes présentes seulement dans certaines cellules, notamment celles du foie. Ce sont donc des marqueurs de la spécialisation cellulaire. La dégradation des cellules du foie libère leur contenu, notamment les enzymes qui leur sont spécifiques comme les enzymes ASAT et ALAT. Le test montre que les valeurs mesurées sont inférieures aux normes indiquées à droite. Il n’y a donc pas d’atteinte du foie : le patient peut continuer son traitement.

Actualité scientifique : Alcanivorax borkumensis, une bactérie mangeuse de marée noire • Les enzymes sont des catalyseurs spécifiques : seules des enzymes spécifiques des substrats hydrocarbures de pétrole sont capables de les dégrader. D’où l’intérêt de rechercher de telles enzymes et de les utiliser. D’autre part les enzymes étant plus spécifiques que des catalyseurs chimiques, il peut être intéressant de les utiliser pour que l’action soit ciblée et qu’il n’y ait donc pas d’effet secondaire non désiré. • En 7 jours, l’hexadécane est éliminé à 80 % dans une zone peu accessible, le sol. L’activité de l’enzyme décroît (d’un rapport 5) d’autant plus que l’hexadécane est dégradé, ce qui montre une corrélation. Cette méthode est donc efficace.

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Chapitre 6 : La structure du globe terrestre

CHAPITRE 6  La structure du globe terrestre

Manuel p. 124-147

I. Introduction Programme Connaissances Des contrastes entre les continents et les océans La distribution bimodale des altitudes observée entre continents et le fond des océans reflète un contraste géologique. Si la composition de la croûte continentale présente une certaine hétérogénéité visible en surface (roches magmatiques, sédimentaires, métamorphiques), une étude en profondeur révèle que les granites en sont les roches les plus représentatives. Activité 1 ; exercices 5 et 10 Le contraste géologique constaté entre continents et le fond des océans se retrouve dans la nature des roches les constituant et leur densité. Activité 2 ; exercice 8 L’apport des études sismologiques et thermiques à la connaissance du globe terrestre Un séisme résulte de la libération brutale d’énergie lors de rupture de roches soumises à des contraintes. Les informations tirées du trajet et de la vitesse des ondes sismiques permettent de comprendre la structure interne de la Terre (croûte – manteau – noyau ; modèle sismique PREM (Preliminary Reference Earth Model), comportement mécanique du manteau permettant de distinguer lithosphère et asthénosphère ; état du noyau externe liquide et du noyau interne solide). Les études sismologiques montrent les différences d’épaisseur entre la lithosphère océanique et la lithosphère continentale. Activité 3 et 4 ; exercices 6, 7, 9, 11 et 12 La température interne de la Terre croît avec la profondeur (gradient géothermique). Le profil d’évolution de la température interne présente des différences suivant les enveloppes internes de la Terre, liées aux modes de transfert thermique : la conduction et la convection. Le manteau terrestre est animé de mouvements de convection, mécanisme efficace de transfert thermique. La propagation des ondes sismiques dans la Terre révèle des anomalies de vitesse par rapport au modèle PREM. Elles sont interprétées comme des hétérogénéités thermiques au sein du manteau. Activité 5 Notions fondamentales Contraintes, transmission des ondes sismiques, failles, réflexion, réfraction, zones d’ombre. Objectifs Par la découverte des deux croûtes les élèves acquièrent les données fondamentales sur les principales roches rencontrées (basalte, gabbro, granites). L’étude sismologique permet ici d’affiner la compréhension de la structure du globe terrestre et de la lithosphère au-delà de la vision du risque sismique appréhendé par les élèves au collège. Grâce au croisement de différentes méthodes, les élèves reconstituent le gradient géothermique, de manière à pouvoir mobiliser ensuite les données thermiques dans l’explication de mécanismes géologiques étudiés. Capacités Des contrastes entre les continents et les océans →→ Mettre en relation des cartes et/ou des logiciels de visualisation des reliefs avec la courbe de distribution bimodale. Activité 1 →→ Utiliser des cartes géologiques (carte géologique mondiale) comme des données d’observation directe (faille VEMA, forages) pour identifier les compositions des croûtes océaniques et continentales. Activité 1 73

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→→ Utiliser la carte de France au millionième pour identifier la répartition des principaux types de roches sur le territoire. Activité 1 →→ Effectuer des mesures de densité sur des roches continentales et océaniques. Activité 2 →→ Mener une observation comparative des roches des croûtes océanique et continentale (composition, structure, etc.). Activité 2 L’apport des études sismologiques et thermiques à la connaissance du globe terrestre →→ Consulter et exploiter une base de données sismologiques. →→ Traiter des données sismologiques. Activité 3 →→ Concevoir une modélisation analogique et réaliser des mesures à l’aide de dispositifs d’expérimentation assisté par ordinateur, ou des microcontrôleurs pour étudier la propagation d’ondes à travers des matériaux de nature pétrographique différente ou de comportement mécanique différent. Activité 4 →→ Étudier par expérimentation assistée par ordinateur et/ou par modélisation analogique les paramètres à l’origine des modifications de la vitesse des ondes (nature du matériau, de sa rigidité/ plasticité, effet de la température). →→ Étudier la propagation profonde des ondes (zone d’ombre, mise en évidence des discontinuités) en utilisant les lois de Snell-Descartes et/ou mettant en œuvre un modèle analogique pour montrer les zones d’ombre. Activité 4 →→ Utiliser des profils de vitesse et de densité du modèle PREM. Activité 4 →→ Analyser des courbes d’augmentation de la température en fonction de la profondeur (mines, forages) ; croiser des données thermiques, des données de composition chimique, avec les données sismiques pour comprendre le modèle de la structure thermique de la Terre. Activité 5 →→ Calculer la température au centre de la Terre en utilisant le gradient géothermique de surface et apprécier sa validité au regard de l’état physique des matériaux. →→ Réaliser des modèles analogiques pour appréhender la conduction et la convection. Activité 5 →→ Montrer l’existence d’hétérogénéités thermiques dans le manteau par des données de tomographies sismiques, tout en attirant l’attention sur l’amplitude des variations par rapport au modèle PREM. Activité 5 Précisions Les différences de relief ne sont pas, à ce niveau, expliquées par les mécanismes de l’isostasie. L’étude pétrographique se limite à l’étude des principales caractéristiques des roches citées. Les caractéristiques d’un séisme sont dégagées à partir de l’étude de cas concrets et en utilisant des outils numériques enrichissant les possibilités d’analyse par les élèves. La connaissance des mécanismes au foyer n’est pas attendue.

Commentaires pédagogiques Le choix a été pris de partir de ce qui est directement observable en surface, les roches, pour aller vers ce qui ne sera jamais appréhendable qu’indirectement. De ce fait, nous partons de l’aspect rhéologique de la Terre pour découvrir les apports de la sismique d’abord dans les couches superficielles, puis dans les couches profondes, avant d’apporter les outils pour la compréhension de l’idée de surface terrestre mobile : l’étude des anomalies thermiques de la Terre ouvre la porte à de la convection mantellique, moteur de la tectonique des plaques qui sera abordée dans le chapitre suivant. Dans les activités 3 et 4, il a été choisi de traiter tout d’abord de l’apport de l’étude des séismes en surface et de la mise en évidence du Moho avant de s’intéresser aux séismes lointains et leur apport dans l’étude de la structure de la Terre globale. Par souci de cohérence, l’extrait du programme « L’étude des séismes au voisinage des fosses océaniques permet de différencier le comportement d’une lithosphère cassante par rapport à une asthénosphère plus ductile. » n’est pas abordé dans ce chapitre mais dans le chapitre 9. 74

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BIBLIOGRAPHIE ◗◗ Ouvrages de référence -- Damien Jaujard, Géologie : géodynamique, pétrologie, études de terrain, Maloine, 2015. -- Christian Robert, Romain Bousquet, Géosciences : la dynamique du système Terre, Belin, 2013.

◗◗ Site internet -- Base de données du réseau « Sismos à l’École », où l’on peut trouver aussi bien des données exploitables en classe que des ressources éducatives : http://www.edusismo.org/

II. Corrigés

Corrigés du guide de travail

Activités

• Un relief différent : une altitude répartie autour de +300 m pour les continents, – 4 800 m pour les océans.

p. 126-135

Activité 1 Des contrastes géologiques entre les continents et les océans • Durée estimée : 40 minutes • Objectif : Comprendre pourquoi la Terre ne présente pas un relief uniforme. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Mettre en relation des cartes avec la courbe de distribution bimodale. Utiliser des cartes géologiques, des données d’observation directe pour identifier les compositions des croûtes océaniques et continentales. Utiliser la carte de France au millionième pour identifier la répartition des principaux types de roches sur le territoire.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : tableau.

Exploitation des documents La courbe de répartition des reliefs a été représentée avec l’altitude en ordonnée dans un souci de lisibilité. Le document 2 peut être complexifié en y plaçant des exemples locaux, ou par l’étude de la carte géologique de la France dans le double rabat de la deuxième page de couverture. Le document  4 traite de l’exemple de la faille transformante de Kane, peu traitée dans les livres de lycée mais bien plus caractéristique de la dorsale atlantique que celle de Vema. La difficulté sera ici de trouver les caractéristiques de la croûte océanique à partir de ce seul exemple, le cas des dorsales sera approfondi dans le chapitre 8, notamment dans l’activité 2.

Des roches différentes  : très diverses et observables directement sur les continents  : roches magmatiques (ex  : trachyes, granites), sédimentaires (ex grès), métamorphiques (ex : gneiss), de tous les âges. Pour les roches océaniques, si on s’en tient à ce qui est observable au niveau de la faille de Kane, on retrouve une fine couche de sédiments, des gabbros et basaltes, et des serpentinites. Elles paraissent plus homogènes. • Peut-être que les gneiss et granites qui composent la majorité de la croûte continentale sont moins denses que les roches qui constituent la croûte océanique. Synthèse : Croûte continentale

Croûte océanique

Reliefs essentiellement positifs (+ 300 m en moyenne)

Reliefs essentiellement négatifs (–4 800 m en moyenne)

Roches caractéristiques à l’affleurement : - sédiments (calcaires, grès…) ; - granites, roches magmatiques (rhyolite, trachyte, andésite…) ; - roches métamorphiques (gneiss). Roches caractéristiques en profondeur : le granite est majoritaire dans la croûte continentale

Roches caractéristiques à l’affleurement : - sédiments ; - basaltes/gabbros/ serpentinites.

Activité 2 Les caractéristiques des roches de la croûte terrestre • Durée estimée : 2 heures si TP • Objectif : Identifier les propriétés des roches des croûtes qui expliquent la diversité des reliefs terrestres. 75

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• Compétences Compétences

Synthèse : Capacités associées

Croûte continentale

Croûte océanique

Pratiquer des démarches scientifiques

Valider par l’observation et l’expérimentation une hypothèse.

Essentiellement composée de granite

Essentiellement composée de basaltes et gabbros et serpentinites

Concevoir, créer, réaliser

Mener une observation comparative des roches des croûtes océanique et continentale (composition, structure...) à l’œil nu/au microscope polarisant. Effectuer des mesures de densité sur des roches continentales et océaniques.

Minéraux : quartz/ feldspaths potassiques/ micas (biotite)

Minéraux : plagioclases/ pyroxène/ olivine

Densité comprise entre 2,4 et 2,8 du fait des minéraux la composant

Densité comprise entre 2,9 et 3,1 du fait des minéraux la composant

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : croquis, tableau, photo annotée.

Exploitation des documents Cette activité 2 peut être menée de manière expérimentale en classe si le lycée est assez bien équipé. Le calcul de densité de la roche à partir du réel permet de bien appréhender cette notion (il peut être renforcé par l’exercice 3 p. 141 « apprendre à apprendre »). Les biais de mesure permettent de réfléchir sur la barre d’erreur acceptable en sciences. L’observation au microscope en LPA et LPNA est un incontournable de géologie : utiliser les fiches méthode 2 et 4 p. 394 et 396. Le calcul de la densité des minéraux, rapporté à la composition minéralogique des roches, permet d’en comprendre la différence de densité. Pour répondre à la question du guide de travail, il faut aussi se référer au document 3 p. 127. Corrigés du guide de travail • Les roches de la croûte continentale sont moins denses que celles de la croûte océanique : 2,4 à 2,8 pour le granite contre 2,9 à 3,1 pour le gabbro par exemple. Les roches de la croûte continentale contiennent essentiellement quartz/micas/feldspaths potassique de densité comprise entre 2,5 et 3 pour la biotite, minoritaire. Les roches de la croûte océanique contiennent du pyroxène, des plagioclases et des gabbros de densité comprise entre 2,6 et 3,4. Tout concorde donc à dire que les roches de la croûte océanique sont plus denses et que cette densité est à imputer à la densité des minéraux qui les composent.

Activité 3 Des séismes pour découvrir la croûte terrestre • Durée estimée : 1 heure • Objectif : Montrer comment l’étude des séismes permet d’appréhender la structure interne du globe. • Compétences Compétences Pratiquer des démarches scientifiques

Capacités associées Traiter des données sismologiques. Étudier la propagation profonde des ondes (zone d’ombre, mise en évidence des discontinuités) en utilisant les lois de Snell-Descartes. Utiliser les outils mathématiques pour résoudre un problème scientifique.

Exploitation des documents Les documents utilisés dans cette activité sont de deux ordres : théoriques (docs. 2 et 4) et issus de mesures de terrain (docs. 1, 3 et 5). L’intérêt est ici de montrer une des applications pratiques de la géophysique dans la connaissance de la lithosphère : caractériser le Moho. L’outil mathématique et les lois d’optique apprises en Physique Chimie en seconde sont utilisés, ce qui permet de montrer l’apport indéniable de ces deux matières comme outils de résolution des problèmes en géologie. Corrigés du guide de travail • Les séismes permettent de mettre en évidence la présence de roches solides qui ont un comportement cassant. Ainsi, la majorité des séismes se situent entre 1 et 130 km de profondeur (doc. 3). La présence de séismes plus profonds pose un problème qui sera résolu lors de l’étude des zones de subduction dans le chapitre 9. Les séismes permettent donc de mettre en évidence une lithosphère dans les 100 premiers km

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de profondeur, reposant sur des roches plus ductiles (asthénosphère). • Pour le calcul de la profondeur du Moho à la Rochelle, deux précisions sont indispensables au calcul : le dt est de 3 secondes et le Δ correspond à 50,9  km. On obtient alors une profondeur du Moho de 32,65 km. Le Moho est une discontinuité dans la lithosphère. Sa signification est un changement de la nature des roches du sous-sol qui explique les phénomènes de réflexion et réfraction. Synthèse : À partir de l’analyse des ondes sismiques enregistrées après un tremblement de terre, on peut connaître le comportement des roches du sous-sol (ductile/cassant). Il est aussi possible de mettre en évidence des discontinuités dans les couches terrestres correspondant peut-être à des roches de nature (chimique) différente.

Activité 4 Des séismes pour sonder le globe terrestre • Durée estimée : 1 heure 30 • Consigne : Expliquer en quoi l’étude des séismes permet de connaître les caractéristiques des roches du sous-sol et en déduire la structure des couches de la Terre. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Résoudre un problème scientifique Concevoir une modélisation analogique pour étudier la propagation des ondes à travers des matériaux de comportement mécanique différent.

Concevoir, créer, réaliser

Étudier par expérimentation assistée par ordinateur les paramètres à l’origine des modifications de la vitesse des ondes

Exploitation possible des documents avec vos élèves –– Reproduire l’expérience 2 pour proposer un modèle de la Terre expliquant le phénomène observé par Ernst von Rebeur-Paschwitz (et généralisé dans le doc. 1). –– Utiliser le modèle PREM pour proposer un modèle de la structure de la Terre en fonction de la profondeur. –– Effectuer la manipulation avec Audacity présentée dans le document  4 pour proposer une ou des raisons de la variation des ondes sismiques dans les différentes couches de la Terre.

–– Construire, à partir de l’exploitation des différents documents, un schéma bilan résumant les apports de la sismique à la connaissance de la structure interne du globe. Connaissances utiles –– Les lois de Snell-Descartes (2e loi)  : un rayon réfléchi le sera dans le même plan et avec le même angle i que le rayon incident (signe opposé). –– Un rayon réfracté d’un milieu 1 de densité a avec un angle i vers un milieu 2 de densité b sous un angle j répondra à la loi a sin i = b sin j. –– La vitesse des ondes sismiques varie en fonction de la densité et de l’état physique du matériau traversé. –– Il existe différentes ondes sismiques traversant le globe : les ondes P et S, aux propriétés différents (cf. doc. 4 p. 131). Propositions de mise en œuvre →→ Possibilité d’effectuer en classe la modélisation analogique proposée dans le document 2 par petits groupes de 4. Il faudrait alors poser comme question  : «  Comment construire un modèle analogique expliquant les résultats observés dans le document 1 ? », sans donner le protocole aux élèves. –– Il est intéressant de ne pas donner tout le matériel à l’élève (seulement leur proposer un cristallisoir et un laser), et leur demander de proposer un second protocole explicatif qu’ils testeront. –– Il est intéressant de les laisser chercher et présenter leur protocole et leurs écueils à la classe afin que les échanges de groupes enrichissent leur réflexion. Dans cette activité, l’erreur aura un rôle crucial dans une construction active de leurs connaissances (nécessité de créer une discontinuité, et deux matériaux de propriétés optiques différentes). →→ Si le labo SVT en a les droits, il est aussi possible d’étudier le modèle de la structure interne du globe à partir de la vitesse des ondes sismiques de séismes réels sur Sismolog. Dans ce livre, le choix a penché en faveur du modèle analogique car il est bien plus visuel, mais la démarche proposée par Sismolog a pour avantage d’exploiter des données réelles mesurées par des sismomètres. →→ Possibilité d’effectuer les manipulations avec Audacity sur tout matériau intéressant les élèves dans leur démarche de construction de 77

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connaissance sur la structure du globe terrestre, à condition que les barres de matériaux puissent être de longueur raisonnable (>  0,40  m) afin que les résultats obtenus puissent rester un tant soit peu significatifs. La fiche méthode 6 p.  400 peut servir de fiche technique aux manipulations. Une mise en commun des résultats et des démarches de chacun des groupes permettra ici aussi d’enrichir le modèle et la réflexion. –– Il est intéressant de coupler la vitesse des ondes sismiques dans différents matériaux avec la mesure de leur densité (cf. doc. 1 p. 128) ou avec leur température (rajouter un thermomètre sur ExAO par exemple).

Activité 5 La chaleur de la Terre • Durée estimée : 1 heure • Objectif  : Modéliser la structure thermique du globe grâce aux mesures et à l’analyse de la propagation des ondes sismiques.

construire un modèle thermique de la Terre, où la température croît régulièrement dans la croûte, le manteau et dans le noyau. Un « saut » de température s’effectue entre chaque discontinuité. • Mode de transfert entre les différentes couches terrestres : conduction entre croûte et surface, aux discontinuités ; convection dans le manteau, noyau supérieur. Il y a une inégale répartition du flux thermique liée aux reliefs (et pour aller plus loin au contexte géodynamique : dorsales, zones de subduction). Synthèse : Le flux géothermique mondial est la quantité d’énergie dispersée par la Terre par unité de surface et de temps. Il est inégalement réparti sur Terre, les dorsales ayant un flux géothermique positif ce qui nous laisse supposer une remontée mantellique chaude au niveau de ces dernières et a contrario une croûte plus épaisse et moins conductrice au niveau de la croûte continentale.

• Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Analyser différentes données thermiques, sismiques pour comprendre le modèle de la structure thermique de la Terre.

Concevoir, créer, réaliser

Réaliser des modèles analogiques pour appréhender la convection et la conduction.

Exploitation des documents La difficulté est ici de faire le lien entre mesures sismiques et température de la Terre. De ce fait, l’analyse en détail du document 2 est primordiale en AP. Les modèles du document 4 peuvent être réalisés aisément en classe avec un thermomètre de physique, les températures étant relevées par les élèves. La carte du flux géothermique mondial peut servir d’amorce au chapitre suivant sur la dynamique de la lithosphère, laissant entrevoir des zones de remontée mantellique. Corrigés du guide de travail • Dans les couches superficielles de la Terre, le gradient géothermique augmente de 30  °C en moyenne. L’étude de la propagation des ondes sismiques (ou tomographie sismique) a permis de

S’entraîner

p. 141-143

3. Quelques notions importantes • a. Masse volumique d’une roche en g/cm3 ou sans unité b. Flux thermique en W/m2 c. Gradient thermique en degrés/km • Le watt est une mesure d’énergie. 1 watt = 1 joule /km • a. W = watt ; m = mètre ; K = kelvin b. En mesurant la quantité d’énergie transmise par la roche sur une distance donnée et à une température donnée.

4. Déterminer la vitesse de propagation d’une onde sismique • Temps d’arrivée des ondes P : Tp – T0 = 152,614 secondes Ts – Tp = 128,051 s Temps d’arrivée des ondes S : (Ts – Tp) + (Tp – T0) = 152,614 + 128,051 = 280,665 secondes • Vitesse ondes P = distance/temps d’arrivée ondes P = 1 133/152,614 = 7,45 km/seconde Vitesse ondes S = 1 133/280,665 = 4 km/seconde

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Chapitre 6 : La structure du globe terrestre

Altitudes terrestres en fonction du pourcentage relatif des surfaces terrestres concernées

5. La répartition des altitudes sur Terre — Voir le schéma en haut de page. —

6. Vitesse des ondes sismiques et densité des roches traversées — Voir le schéma en bas de page. — • On observe que plus la densité est élevée plus les ondes sont rapides. On peut donc déduire l’évolution de la densité des roches à l’intérieur de la Terre en mesurant la vitesse des ondes sismiques à travers le globe.

7. La mission InSight sur Mars • L’enregistrement de séismes martiens prouverait l’existence de mouvements internes et donc d’une activité interne. Comme sur Terre, le dépouillement des sismogrammes permet de mettre en évidence et de localiser les discontinuités majeures et la présence éventuelle de zones anormalement chaudes. • Les ondes de choc sont enregistrées à T1, T2 et T3. À T1, l’onde a parcouru la distance D1 entre le

point d’impact et l’enregistreur. Dans l’intervalle T1-T2, l’onde a parcouru la distance D2, soit la circonférence C – D1. En T3, l’onde a fait le tour de Mars, soit C + D1. D3-D1 = C + D1 – D1 V = D/T et donc V = C/ T3-T1 en km/s

Vers le bac

p. 144-146

8. Avant la géophysique Dans le document historique : Elisée Reclus parle de l’inégale étendue de l’Océan et des terres émergées à la surface de la Terre. Il dit aussi que le relief des terres émergées surtout dans l’hémisphère nord et la localisation des océans dans l’hémisphère sud ont pour cause le poids inégal des roches de l’intérieur de la Terre. Dans le cours : L’inégale altitude des continents et des océans s’explique par les roches qui composent la croûte continentale et la croûte océanique. Elle s’explique aussi par leur épaisseur différente.

Vitesse (km/seconde)

8 7 6 5

Ondes P

4

Ondes S

3 2 1 0 0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

Densité 3,5

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Éléments du cours qui nuancent les propos d’Elisée Reclus : Les études des séismes lointains ont montré que la Terre, hormis la croûte, avait une structure constituée de couches qui en leur sein étaient homogènes. Aucun des éléments donnés ici n’expliquent l’inégale répartition entre les deux hémisphères des continents et des océans qui sera explicable plus tard, avec les connaissances des chapitres 7 et 8.

9. Comment vulgariser Reprendre le résumé du cours : –– observations pétrologiques / densités ; –– mesure des vitesses des ondes sismiques ; –– mesure de la chaleur interne du globe.

10. Une roche inconnue Pour connaître la nature d’une roche : –– l’observer à l’œil nu et identifier les minéraux visibles ; –– évaluer sa dureté, sa densité ; –– si cela est possible, en faire une lame mince pour identifier les minéraux au microscope en LPNA puis en LPA.

11. Travail en groupe «  J’observe  »  : mesurer la vitesse des ondes P dans différentes roches avec le logiciel Audacity par exemple. « Je sais » : comparer les vitesses mesurées précédemment avec le graphique de l’évolution de la vitesse des ondes P à l’intérieur de lithosphère terrestre (manuel p. 133). « Je déduis » : en déduire quelle roche compose la lithosphère continentale/la lithosphère océanique.

12. Composition et température du noyau À l’aide des documents 1 et 2, l’élève met en évidence que le noyau est composé majoritairement de fer. Ce fer a fondu lors de l’accrétion et s’est concentré au centre de la Terre formant ainsi le noyau.

À l’aide du document 3, l’élève déduit que le noyau est constitué d’une partie extérieure liquide (les ondes S ne passent pas) et d’une gaine solide. La limite entre les deux se situe à 5 150 km de profondeur. À cette profondeur la pression est de 3,3 millions de pascals. Enfin, connaissant la nature chimique et la nature liquide du noyau externe, l’élève explique que les chercheurs du CNRS, CEA et ESRF ont cherché à connaître la température de la fusion du fer à une pression équivalente à celle régnant à 5 150 km de profondeur. Des outils tels que l’enclume à diamant et le faisceau à rayons X du synchrotron ont permis d’observer une fusion du fer à 2 millions de pascals. En extrapolant ce résultat ils ont pu estimer que la température à 5 150 km est de 6 000 + 500 °C.

Parcours d’orientation

p. 147

Métier : David, géologue et gérant de GéoNovation Le puits est à réaliser à 20 m environ du début du panneau, profondeur du forage environ 5 m. Le choix de la méthode se justifie par sa résolution optimale pour la profondeur de prospection, et pour le type d’études effectuées.

Actualité scientifique : Connaître le sous-sol des Alpes grâce aux séismes • Le temps d’arrivée des ondes sismiques permet de mettre en évidence certaines discontinuités (exemple le Moho) par trigonométrie car on connaît la vitesse moyenne des ondes P ou S, cela nous permet de retrouver la distance à la surface de réflexion. Les variations de vitesse des ondes sismiques permettent de mettre en évidence des hétérogénéités des roches dans le sous-sol. • Plus le réseau est dense, plus le maillage est serré et moins il y aura d’incertitude dans les modèles. • Par exemple : –– Preliminary Moho depth determination from receiver function analysis using AlpArray stations in Hungary ; –– AlpArray-Italy  : site description and noise characterization.

80

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Chapitre 7 : La dynamique de la lithosphère

CHAPITRE 7  La dynamique de la lithosphère

Manuel p. 148-165

I. Introduction Programme Connaissances La lithosphère terrestre est découpée en plaques animées de mouvements. Le mouvement des plaques, dans le passé et actuellement, peut être quantifié par différentes méthodes géologiques : études des anomalies magnétiques, mesures géodésiques, détermination de l’âge des roches par rapport à la dorsale, alignements volcaniques liés aux points chauds. Activités 1 et 2 ; exercices 5, 7, 8, 9 et 10 La distinction de l’ensemble des indices géologiques et les mesures actuelles permettent d’identifier des zones de divergence et des zones de convergence aux caractéristiques géologiques différentes (marqueurs sismologiques, thermiques, pétrologiques). Activité 3 ; exercice 6 Notions fondamentales Les mouvements des plaques tectoniques sont quantifiables, par des données géologiques et géodésiques. On peut établir des modèles cinématiques de ces déplacements. On observe que certaines plaques se rapprochent (convergence) et d’autre s’écartent (divergence). Les frontières entre les plaques ont des caractéristiques qui les distinguent. Objectifs Exploiter des indices géologiques pour établir le déplacement des plaques dans le passé. Confirmer le déplacement actuel des plaques par des mesures géodésiques. Identifier les indices géologiques qui caractérisent les frontières entre les plaques lithosphériques. Capacités →→ Quantifier le déplacement des plaques lithosphériques par le passé à l’aide de données géologiques (anomalies magnétiques, volcanisme de point chaud). Activité 1 ; exercices 7, 8 et 10 →→ Analyser des bases de données de vitesse de déplacement (mesures géodésiques satellitaires) et quantifier des déplacements de plaques. Activité 2 ; exercices 5, 9, 10 et exercice métier →→ Comparer des données géodésiques récentes à des données géologiques plus anciennes pour améliorer un modèle cinématique. Activité 2 →→ Analyser des cartes de flux géothermiques surfaciques, des cartes topographiques. Activité 3 →→ Distinguer des zones de divergence et des zones de convergence aux caractéristiques géologiques différentes (marqueurs sismologiques, thermiques, pétrologiques et reliefs). Activité 3 ; exercice 6

Commentaires pédagogiques Au collège on montre que la lithosphère terrestre est découpée en plusieurs plaques tectoniques. En première spécialité, on cherche à prouver et à mesurer le déplacement de ces plaques à l’aide de plusieurs méthodes plus ou moins récentes. On commence l’étude par les indices géologiques marins tels que l’enregistrement du champ magnétique terrestre dans les basaltes océaniques, l’alignement d’îles volcaniques dans des archipels ou encore l’âge des sédiments des fonds marins. On montre qu’ils concordent et sont assez précis. Ils ont permis d’établir des modèles cinématiques appelés NUVEL. On s’intéresse ensuite aux données géodésiques, plus récentes et plus précises. On peut calculer des vecteurs de déplacement en de nombreux points du globe. Ces mesures géodésiques permettent de confirmer ou de corriger les données géologiques, et d’établir un nouveau modèle comme MORVEL. On distingue plusieurs types de frontières entre ces plaques dont les caractéristiques sont liées à leurs déplacements. 81

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BIBLIOGRAPHIE ◗◗ Ouvrages de référence -- Romain Bousquet, Christian Robert, Géosciences : la dynamique du système Terre, Belin, 2013. -- Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin, Marc de Rafélis Saint Sauveur, Jean-Charles Pomerol, Éléments de géologie, 16e édition du « Pomerol », Dunod, 2018.

◗◗ Sites internet -- https://www2.ac-lyon.fr/enseigne/biologie/spip.php?article179 -- https://www.geologie.ens.fr/~ecalais/teaching/geodynamics/cinematique_plaques_seul.pdf -- http://eduterre.ens-lyon.fr/thematiques/terre/frontieres%20college/plaques

Ainsi, on peut montrer que les plaques lithosphériques se déplacent en utilisant des indices géologiques.

II. Corrigés Activités

p. 150-155

Activité 1 Des témoins géologiques de la mobilité des plaques lithosphériques • Durée estimée : 30 minutes • Objectif : Exploiter des indices géologiques pour établir le déplacement des plaques lithosphériques. • Compétences Compétences

Capacités associées

Saisir des informations

Dans un graphique, un texte.

Raisonner

Calculer des vitesses pour montrer le déplacement des plaques lithosphériques.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié et argumenté.

Exploitation des documents Prérequis Collège : savoir que la dorsale Atlantique sépare les plaques nord-américaine et eurasiatique. Docs. 1 à 3 : comprendre l’origine de l’inversion du champ magnétique terrestre et repérer sur l’échelle magnétostratigraphique l’âge des périodes normales et inverses. On calcule des vitesses de divergence entre deux plaques (nord-américaine et eurasiatique) à l’aide des inversions du champ magnétique enregistrées dans les basaltes du fond de l’océan Atlantique (doc. 4). On calcule la vitesse et la direction de la plaque Pacifique à l’aide de l’alignement des îles volcaniques de l’archipel de la Société (doc.  5).

Corrigés du guide de travail • On observe une symétrie de la répartition des inversions du champ magnétique enregistrés dans le fond de l’océan Atlantique de part et d’autre de la dorsale (0 km sur le graphique du document 4). On connaît : la vitesse = distance (km) / temps (Ma). On sait également que les plaques nord-américaine et eurasiatique s’écartent l’une de l’autre (divergence). Il est donc possible de calculer la vitesse de divergence en utilisant les données du document 4 : 400 × 2 (les deux plaques s’éloignant symétriquement de part et d’autre de la dorsale)

Vitesse = 9 = 88 km/Ma. Les plaques nord-américaine et eurasiatique s’écartent donc de 8,8 cm/an depuis 9 Ma. • On observe que les îles de la Société sont alignées selon un axe Nord-Ouest/Sud-Est. La plus ancienne Maupiti date de 4,2 Ma et se situe la plus au Nord-Ouest, et la plus récente, Mehetia, la plus au Sud-Est. Ces îles se forment à partir d’un point chaud magmatique, fixe, situé actuellement sous Mehetia. On en déduit que la plaque Pacifique se dirige vers le Nord-Ouest depuis 4,2 Ma. On peut également calculer sa vitesse moyenne depuis 4,2 Ma à l’aide du graphique : Vitesse = 119 km/Ma La plaque Pacifique se déplace donc à une vitesse moyenne de 11,9 cm/an depuis 4,2 Ma. Synthèse : Les données géologiques marines telles que l’enregistrement des anomalies du champ

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Chapitre 7 : La dynamique de la lithosphère

magnétique dans les basaltes ont mis en évidence que les plaques tectoniques peuvent s’écarter au niveau d’une dorsale. La réalisation d’une échelle magnétostratigraphique permet de dater ces inversions magnétiques. On en déduit donc la vitesse de divergence des plaques. On peut également calculer le déplacement d’une seule plaque comme celle Pacifique. En effet, des alignements d’îles volcaniques dites de «  point chaud » permet de suivre la direction de la plaque. La datation des laves émises par ces îles permet également de calculer la vitesse de déplacement de la plaque.

Sachant que V = d/t, on détermine également la vitesse de ces deux plaques. Elle est indiquée ici par le coefficient directeur des droites. Balise REYK : elle se déplace de 2,05 cm/an vers le Nord et de 0,99 cm/an vers l’Ouest. Balise HOFN : elle se déplace de 1,4 cm/an vers le Nord et de 1,47 cm/an vers l’Est. Vitesse longitudinale REYK + vitesse longitudinale HOFN = 0,0147 + 0,0099 = 0,0246 m/an = 2,46 cm/ an, la vitesse d’écartement (divergence) des deux plaques NA et EU.

Protocole TP Activité 2 Les mesures du déplacement des plaques lithosphériques • Durée estimée : 30 minutes • Objectif  : Confirmer à l’échelle de quelques années et grâce à des mesures géodésiques le déplacement actuel des plaques lithosphériques. • Compétences Compétences

Capacités associées

Saisir des informations

Dans un graphique, un texte, une carte cinématique.

Raisonner

Analyser des enregistrements GNSS et construire un vecteur global de déplacement. Comparer des données, des cartes.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié et argumenté.

◗◗ Données GPS à partir du site : https:// sideshow.jpl.nasa.gov/post/series.html Enregistrer les fichiers REYK.series et HOFN. series sur le bureau de l’ordinateur. Ouvrir un fichier avec le logiciel Excel (ou Calc). Accepter tous les paramétrages (le fichier texte est converti en fichier .xls). Sélectionner les 3 premières colonnes A, B et C puis dans « Edition », choisir « Remplacer ». Dans « Rechercher » indiquer un point et dans «  remplacer par  » une virgule. Cliquer sur le bouton « Remplacer tout ». Pour tracer le graphique, sélectionner les deux premières colonnes de gauche et choisir « insertion  » «  graphique  » «  nuages de points sans marqueurs avec courbes droites ». Afficher la courbe de tendance.

Exploitation des documents Grâce aux données GNSS, on peut déterminer la direction de déplacement d’une plaque et calculer sa vitesse de manière très précise et quasi instantanée. On s’entraîne en calculant le sens et la vitesse de déplacement des plaques nord-américaine et eurasiatique, en s’appuyant sur la construction d’un vecteur vitesse. Ainsi on pourra comparer les résultats avec ceux de l’étude précédente (activité 1).

• Les cartes des déplacements de plaques obtenues par mesure GPS concordent bien avec celles obtenues avec les données géologiques (MORVEL).

Corrigés du guide de travail

Synthèse :

• Les deux stations GPS, REYK et HOFN, sont situées de part et d’autre d’une frontière de plaques matérialisée par un alignement de séismes (dorsale médio-atlantique). Grâce aux courbes de déplacements en longitude et latitude (ou tableau de données des déplacements de ces deux stations), on peut déterminer le sens de déplacement des plaques NA (REYK) et EU (HOFN).

La géodésie a permis d’affiner les cartes NUVEL1 notamment au niveau de petites plaques (Caraïbes, Nazca) dont la vitesse a évolué très récemment.

Les données SLR donnent également des valeurs quasi identiques à celles du modèle NUVEL1. 90 % des vitesses déterminées par le GPS sont en accord avec celles déterminées à partir des anomalies magnétiques.

Les mesures géodésiques permettent de mesurer en temps réel le déplacement des plaques. Les données géologiques permettent de déterminer des déplacements dans le passé depuis quelques Ma. Les résultats concordent grandement.

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Activité 3 Des contextes géodynamiques caractéristiques : les limites de plaques

S’entraîner

• Durée estimée : 20 minutes • Objectif  : Identifier des indices permettant de caractériser les différentes frontières des plaques lithosphériques. • Compétences

5. Utiliser les données d’un récepteur GNSS localisé à Brest

Compétences

Capacités associées

Saisir des informations

À partir de cartes, de photos et de diagramme.

Communiquer

Sous forme d’un tableau synthétique, correctement organisé et renseigné.

Exploitation des documents On observe dans le document 1 que la répartition des séismes n’est pas uniforme à la surface de la Terre (connaissance de collège). La sismicité est très forte au niveau des frontières de plaques convergentes, moyenne au niveau des plaques divergentes (dorsales). Un autre indice est la topographie. Les reliefs sont très hauts au niveau des dorsales (doc. 2 – environ 3  km) tout en étant sous-marins, très élevés au niveau des frontières convergentes entre deux plaques continentales (doc. 3 – Himalaya plus de 8 km). Enfin au niveau des frontières de plaques convergentes continentale/océanique, on observe un relief très profond (doc. 4 – fosse du Pérou, – 6 km) associé à un relief élevé (Andes + 6 km). Enfin on peut noter la nature des roches rencontrées (docs. 2 à 4) et relever que le flux géothermique est différent (doc. 5).

p. 161-163

On calcule le coefficient directeur (= vitesse) des deux enregistrements que l’on reporte ensuite dans un repère orthonormé : Enregistrement de la longitude du récepteur BRST

Enregistrement de la latitude du récepteur BRST

Corrigés du guide de travail et synthèse : Lieu Type de frontière Type de plaques Sismicité

Relief

Nature des roches

Dorsale médio-Atlantique

Himalaya

Fosse du Pérou

Frontière divergente

Frontière convergente

Frontière convergente

Plaques océaniques

Plaques continentales

Plaques océanique/ continentale

Sismicité moyenne, de faible profondeur

Sismicité moyenne, de faible profondeur

Sismicité intense, à forte profondeur

Relief sous-marin élevé (3 000 m)

Relief continental très élevé (jusqu’à 8 848 m)

Relief très profond (8 800 m) associé à un relief parallèle élevé à l’arrière de la fosse

Basalte

Roches magmatiques type granite, roches sédimentaires marines, roches métamorphiques

Basalte vert, gabbro vert dans la fosse. Roches magmatiques à l’arrière de la fosse (andésite, rhyolite, granodiorite)

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Chapitre 7 : La dynamique de la lithosphère

9. Mesures GPS et déplacements des plaques Le récepteur AIRA indique un déplacement vers le Sud-Est de la plaque Eurasienne. Le récepteur CCJ2 indique un déplacement vers le Nord-Ouest de la plaque Pacifique.

Le récepteur de Brest a un déplacement global vers le Nord-Est à une vitesse de 2,3 cm/an.

On en déduit donc que les deux plaques se déplacent l’une vers l’autre, elles sont convergentes.

Vers le bac

On observe que les îles Aléoutiennes forment un alignement parallèle à une fosse océanique. Elles sont le siège d’un volcanisme intense et de nombreux séismes dont les foyers sont de plus en plus profonds en s’éloignant de la fosse. Or les limites de plaques convergentes sont caractérisées par un alignement de volcans et de séismes lié à la plongée d’une plaque lithosphérique océanique sous une autre plaque tectonique. On en déduit qu’elles sont situées sur la plaque sus-jacente d’une frontière de plaques convergentes.

7. L’ouverture de l’océan Atlantique Sud La vitesse d’expansion varie selon les périodes géologiques. À la latitude 30° S, elle est de 4,4 cm/ an au cours des 76 derniers millions d’années. Vitesse = 1 685 × 106 / 76 × 106 = 22 mm/an

= 2,2 cm/an ;

que l’on n’oublie pas de multiplier par deux, car l’expansion océanique se fait de part et d’autre de la dorsale.

8. Les inversions magnétiques de l’océan Pacifique V = distance/temps La distance de l’anomalie magnétique il y a 3 Ma est environ à 130 km de l’axe de la dorsale. V = 130 × 106/3 × 106 = 43,3 mm/an = 4,3 cm/an L’ouverture étant symétrique par rapport à la dorsale on multiplie ce résultat par 2. V = 8,6 cm/an depuis 3 Ma.

10. L’archipel d’Hawaï, un alignement de volcans Éléments scientifiques tirés des documents : Doc. 1 – Les volcans sont de deux types sur l’archipel de Hawaï, certains sont encore très actifs (le Kilauea) et très récents ; d’autres plus anciens sont éteints (le Koolau). Doc. 2 – Vitesse et direction du déplacement de la plaque Pacifique déterminées par les volcans de type points chauds de Hawaï. Vitesse = distance/temps = 603 × 106 / 4,89 × 106 = 123,3 mm/an 12,3 cm/an depuis 5 millions d’années environ en direction Nord-Ouest. Doc. 3 – Vitesse et direction de la plaque Pacifique déterminée par des mesures géodésiques. On détermine les vitesses en longitude et en latitude en utilisant le coefficient directeur indiqué sur les enregistrements de HILO : –– vitesse en longitude = 63,3 mm/an ; –– vitesse en latitude = 35,5 mm/an. On construit alors le vecteur de déplacement global du récepteur. 40

Déplacement en latitude (mm/an)

6. Les îles Aléoutiennes, un archipel volcanique

p. 164

– 80 W

N

30

20

10

– 60

– 40

– 20

0

Déplacement en latitude (mm/an)

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On en déduit la vitesse de déplacement actuelle du récepteur HILO = 7,2  cm/an en direction NordOuest. Éléments tirés des connaissances : Modèle du volcanisme de point chaud (activité 1). Construction d’un vecteur global de déplacement à partir d’un enregistrement GPS (activité 2). Conclusion  : la direction de déplacement de la plaque Pacifique est la même depuis plusieurs millions d’années (Nord-Ouest), en revanche la vitesse a diminué au cours du temps.

Parcours d’orientation

p. 165

Métier : Pierre, ingénieur à l’IGN On observe en Nouvelle-Calédonie une apparente élévation du niveau de la mer de 0,9  mm/an. La Nouvelle-Calédonie est située non loin de la frontière entre la plaque Australienne et la plaque Pacifique. Ces deux plaques sont convergentes

comme en témoigne la présence de la fosse océanique des Nouvelles-Hébrides. Les nombreuses stations GNSS présentes sur l’île permettent de mesurer les déplacements verticaux de la plaque Australienne. On observe que, sur une vingtaine de GNNS, la grande majorité enregistre un déplacement vers le bas de l’île, un enfoncement lié à la fosse de subduction relativement proche. Ainsi, le niveau marin semble monter.

Actualité scientifique : Galiléo, une constellation de 30 satellites européens pour 2020 Il s’agit de montrer l’intérêt de l’Europe d’être alliée mais indépendante du système GPS américain, dans une concurrence mondiale de la géolocalisation par satellite. Enjeu économique, scientifique, politique… On peut proposer un débat ou bien un oral à l’occasion de ce sujet d’actualité.

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Chapitre 8 : La dynamique des zones de divergence

CHAPITRE 8  La dynamique des zones de divergence

Manuel p. 166-183

I. Introduction Programme Connaissances La divergence des plaques de part et d’autre des dorsales permet la mise en place d’une nouvelle lithosphère. Celle-ci se met en place par apport de magmas mantelliques à l’origine d’une nouvelle croûte océanique. Activité 1 Ce magmatisme à l’aplomb des dorsales s’explique par la décompression du manteau. Dans certaines dorsales (dorsales lentes) l’activité magmatique est plus réduite et la divergence met directement à l’affleurement des zones du manteau. Activité 2 La nouvelle lithosphère formée se refroidit en s’éloignant de l’axe et s’épaissit. Cet épaississement induit une augmentation progressive de la densité de la lithosphère. La croûte océanique et les niveaux superficiels du manteau sont le siège d’une circulation de fluides qui modifient la nature des minéraux. Activité 3 Notions fondamentales La lithosphère océanique se forme au niveau des dorsales à partir d’un magma mantellique qui refroidit au contact de l’eau de mer. La vitesse d’expansion des dorsales entraîne une remontée du magma mantellique plus ou moins intense. Au cours de son avancée, la lithosphère océanique est hydratée et est modifiée. Objectifs Comprendre, à l’aide des données de géoscience, comment la lithosphère océanique se forme et comment elle se transforme au cours de son expansion au fond de l’océan. Capacités →→ Expliquer la mise en place de croûte océanique au niveau des dorsales. Activité 1 ; exercice 12 →→ Analyser des données de tomographie sismique et de sismique réflexion. Activité 1 ; exercices 11 et 12 →→ Déterminer l’origine du magma émis par les dorsales. Activités 1 et 2 ; exercices 6 et 11 →→ Établir un lien entre activité magmatique et vitesse d’expansion des dorsales. Activité 2 ; exercices 7, 8 et 9 →→ Analyser des diagrammes de pression-température. Activité 2 →→ Expliquer les transformations de la lithosphère océanique au cours de son avancée. Activité 3 ; exercice actualité scientifique, p. 183 →→ Calculer la densité moyenne de la lithosphère océanique en fonction de son âge. Activité 3 ; exercice 10

Commentaires pédagogiques Dans l’activité 1, on explique le lien entre l’activité magmatique des dorsales et la mise en place de la lithosphère océanique. On s’appuie sur des indices directs (coulées de lave au fond des océans, fracturation du plancher océanique) et indirects (tomographie sismique, sismique réflexion). Dans l’activité 2, on détermine l’origine mantellique du magma émis par les dorsales en s’intéressant notamment à la répartition des isothermes sous les dorsales et à la fusion partielle des péridotites en 87

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laboratoire. On comprend grâce à l’étude des ophiolites qu’il existe deux grands types de dorsales liées à des activités magmatiques plus ou moins intense. Dans l’activité 3, on montre que l’eau de mer interagit avec la lithosphère océanique lors de son expansion modifiant la chimie des roches (métamorphisme hydrothermal) ainsi que leur densité.

BIBLIOGRAPHIE ◗◗ Ouvrages de référence -- Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin, Marc de Rafélis Saint Sauveur, Jean-Charles Pomerol, Éléments de géologie, 16e édition du « Pomerol », Dunod, 2018. -- Romain Bousquet, Christian Robert, Géosciences : la dynamique du système Terre, Belin, 2013. -- Gilbert Boillot, Philippe Huchon, Yves Lagabrielle, Introduction à la géologie. La dynamique de la Terre, Dunod, 2013. -- Thierry Juteau et René Maury, La Croûte océanique. Pétrologie et dynamiques endogènes, Vuibert, 2012. -- Yves Lagabrielle, Le visage sous-marin de la Terre. Éléments de géodynamique océanique, CCGM, 2005.

◗◗ Sites internet -- http://eduterre.ens-lyon.fr/thematiques/terre/les-lithospheres-oceaniques/accretions-oceaniques -- https://planet-terre.ens-lyon.fr/article/diversite-des-ophiolites.xml

–– des coulées de lave basaltique (doc. 1) au niveau des dorsales ;

II. Corrigés Activités

p. 168-173

–– une zone de matériel anormalement chaud (magma) et peu profonde sous la dorsale (doc. 2) ;

Activité 1 Les dorsales, une zone d’activité magmatique intense

–– une chambre magmatique à 3 km sous le volcan Lucky Strike (doc. 3) ;

• Durée estimée : 15 minutes • Objectif : Expliquer le lien entre l’activité magmatique des dorsales et la mise en place de la lithosphère océanique. • Compétences

–– coulées de roches magmatiques (basaltes) depuis la dorsale (doc. 4).

Compétence Saisir des informations

Capacités associées À partir de photos, de données de données de tomographie et de sismique réflexion.

Exploitation des documents Il s’agit de s’appuyer sur des données directes (photos) et indirectes (tomographie, sismique réflexion). Corrigés du guide de travail On peut repérer plusieurs indices d’une activité magmatique des dorsales :

Synthèse : L’observation directe des dorsales montre de nombreuses fractures parallèles à l’axe central des dorsales par lesquelles sont émises d’abondantes coulées de lave (doc. 4). Au contact de l’eau de mer, elles cristallisent rapidement en basaltes en coussins et en tubes basaltiques formant ainsi la nouvelle croûte océanique (doc. 1). Ces fractures sont causées par les forces de divergence qui agissent de part et d’autre de l’axe de la dorsale (docs.  3 et 4). Les données sismiques (tomographie et sismique réflexion) montrent qu’un matériel chaud, le magma, est situé à faible profondeur sous l’axe des dorsales (docs. 2 et 3). Il remonte par les failles et fractures jusqu’en surface.

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Chapitre 8 : La dynamique des zones de divergence

Activité 2 L’origine du magma des dorsales • Durée estimée : 20 minutes • Objectif : Déterminer les mécanismes à l’origine du magma émis par les dorsales. • Compétences Compétences

Capacités associées

Saisir des informations

À partir d’un texte explicatif, d’un diagramme de pressiontempérature et de photos. Sélectionner les documents utiles.

Communiquer sous forme d’un texte

Rédiger une réponse en exploitant plusieurs documents. Argumenter en donnant des données chiffrées.

Exploitation des documents –– Utiliser la définition du vocabulaire pour comprendre le document 1. –– Expliquer la remontée des isothermes en s’appuyant sur le texte explicatif (doc. 1). –– Repérer sur le diagramme dans quelles conditions de pression et de température de la péridotite peut fondre partiellement (doc. 2). Préciser à quoi correspond la fraction liquide et faire un lien avec l’activité magmatique des dorsales mise en évidence précédemment (dans l’activité 1). Corrigés du guide de travail On observe dans le document 1 une remontée des isothermes liées aux forces de divergence à l’endroit de la dorsale (diminution locale de la pression). On sait que l’isotherme 1 300 °C matérialise la limite lithosphère/asthénosphère. On en déduit une remontée de l’asthénosphère. D’après le document  2, la remontée locale de l’asthénosphère entraîne une remontée du géotherme qui recoupe alors le solidus de la péridotite. On sait que le solidus est la limite entre l’état solide/solide + liquide. On en déduit que la péridotite peut alors fondre partiellement. Synthèse : Les dorsales sont le lieu de mouvements de divergence qui présentent une diminution locale de la pression et la remontée de l’asthénosphère matérialisée par l’isotherme 1 300 °C (doc. 1). Dans ces conditions, une fusion partielle de la péridotite (roche du manteau asthénosphérique) est possible (doc.  2). La fraction liquide issue de cette fusion partielle correspond au magma émis par les dorsales.

L’étude des ophiolites nous renseigne sur le fonctionnement des dorsales. Les ophiolites du massif du Chenaillet sont peu épaisses, ce qui correspond au fonctionnement d’une dorsale lente (doc.  3). Dans ce cas, la remontée de l’asthénosphère est lente et la fusion partielle de la péridotite est faible. Ainsi, peu de magma est produit et l’activité magmatique est plus faible (doc.  4). Dans le cas des dorsales rapides, au contraire, la remontée de l’asthénosphère est rapide ce qui conduit à une fusion partielle de la péridotite plus importante. Beaucoup plus de magma est produit. Ainsi, la vitesse d’expansion des dorsales est à l’origine de l’activité magmatique plus ou moins importante des dorsales.

Activité 3 Le devenir de la lithosphère océanique • Durée estimée : 20 minutes • Objectif  : Comprendre les transformations subies par la lithosphère océanique au cours de son avancée au fond des océans. • Compétences Compétences

Capacités associées

Saisir des informations

À partir de photos, de schéma et de diagramme pression-température.

Communiquer

Organiser sa réponse en paragraphes. Argumenter à l’aide de valeurs chiffrées. Mettre en relation les différents documents.

Exploitation des documents Il s’agit de montrer les transformations chimiques (hydratation) et physiques (refroidissement) des roches de la lithosphère océanique au contact de l’eau de mer qui s’infiltre dans le plancher océanique. Corrigés du guide de travail On repère des modifications chimiques des roches de la lithosphère océanique (docs.  1 à 4) liées à l’eau de mer : des échanges d’éléments chimiques entre l’eau de mer et les roches sont constatés proche de l’axe de la dorsale, au niveau de fractures et de fumeurs noirs (doc.  1). En effet, on observe que l’eau de mer qui s’infiltre ressort au niveau de cheminées, elle s’est enrichie en sulfures notamment (fer, cuivre…) qui ont été « arrachés  » aux roches traversées. Or les gabbros (roche de la lithosphère océanique) observés au massif du Chenaillet (docs. 2 et 4) possèdent des minéraux issus d’une hydratation (hornblende, 89

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chlorite, actinote) qui a lieu à faible pression, et température décroissante. On observe également cette hydratation du plancher océanique dans une autre roche de la lithosphère océanique, la péridotite (docs. 3 et 4). On repère des modifications physiques des roches de la lithosphère océanique (doc. 5) liée à l’eau de mer. En refroidissant la lithosphère, l’eau de mer entraîne un enfoncement de l’isotherme 1 300 °C, limite physique entre la lithosphère océanique et l’asthénosphère sous-jacente. Ainsi, l’épaisseur de la lithosphère océanique (LO) augmente. On peut la calculer à l’aide de la loi proposée dans le document 5. Âge de la LO (en Ma)

Épaisseur de la LO (en km)

2

13

10

29

15

35

25

46

30

50

40

58

60

71

80

82

100

92

On peut aussi déterminer l’épaisseur de la lithosphère océanique à partir de laquelle sa densité est égale à celle de l’asthénosphère (les données sont dans le document 4) : Rappel : densité = masse/épaisseur

D’une part, l’eau de mer hydrate la lithosphère océanique : par de nombreuses fractures, l’eau de mer entre dans la croûte océanique. Cette eau est réchauffée à l’approche de la chambre magmatique et ressort par des cheminées hydrothermales. Pendant son trajet elle échange des éléments chimiques avec les roches. En effet, les roches de la lithosphère océanique (gabbro, péridotite et les basaltes également) sont hydratées, des éléments chimiques comme les métaux sont prélevés. On parle de métamorphisme hydrothermal. D’autre part, l’eau de mer refroidit la lithosphère océanique  : ainsi l’isotherme 1  300  °C s’enfonce (refroidissement par conduction dans la lithosphère sous-jacente) et le manteau lithosphérique s’épaissit. En refroidissant, la densité de la lithosphère océanique augmente ce qui entraîne un enfoncement progressif du plancher océanique.

S’entraîner

p. 179-181

6. Le volume de croûte océanique formée au niveau des dorsales En multipliant la longueur d’accrétion par l’épaisseur moyenne de la croûte océanique on obtient une surface. En la multipliant par la vitesse d’expansion, on a comme résultat 21  km3 de croûte océanique sont produit par an : 5 × 10–5 × 60 000 × 7 = 21 km3/an.

donc

Attention à bien convertir dans la même unité tous les paramètres du calcul !

masse m = densité d × épaisseur E.

Pour 180 Ma, on obtient :

(ECO × dCO) + EML × dML = (ECO + EML) × dA

21 × 180 × 106 = 3 780 × 106 km3 de croûte océanique produite.

(7 × 2,9) + 3,3 × EML = (7 + EML) × 3,25 EML = 49 km. Ainsi, l’épaisseur E de la lithosphère océanique à partir de laquelle la densité moyenne de la lithosphère devient supérieure à celle de l’asthénosphère est : 49 + 7 = 56 km. On en déduit que la lithosphère océanique atteindra cet équilibre à l’âge de 37 Ma : t = (E / 9,2)2 t = (56 / 9,2)2 t = 37 Ma.

8. Les ophiolites de Chamrousse On observe des roches de la lithosphère océanique (ex-basaltes, gabbros et péridotites serpentinisées) qui ont été mises en place par une dorsale. La présence à l’affleurement de péridotites serpentinisées indique que cette dorsale était lente, comme celle du Chenaillet bien que très antérieure.

Synthèse :

9. Une fusion partielle de péridotite en laboratoire

L’eau de mer interagit avec la lithosphère océanique au cours de sa formation.

La fusion partielle de la péridotite donne un magma qui est proche de celui émis par les dor-

90

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Chapitre 8 : La dynamique des zones de divergence

sales et donc qui est à l’origine des basaltes. On compare la composition chimique d’un basalte à celle de la fraction liquide de la péridotite partiellement fondue (magma) et on cherche des valeurs identiques ou très proches. On en déduit que le taux de fusion doit être compris entre 5 et 15 %.

10. La profondeur de la lithosphère océanique La profondeur du plancher océanique augmente avec l’âge (doc. 1), le plancher « s’enfonce » linéairement en fonction du carré de son âge (÷80 ≈ 9). On observe une corrélation avec le flux de chaleur qui diminue aussi avec l’âge jusqu’à environ 80 Ma. En effet, lors de son trajet au fond de l’océan, le plancher est refroidi par l’eau. Lorsque la température baisse, la matière se contracte et sa masse volumique (ou sa densité) augmente et devient plus dense que le manteau asthénosphérique sous-jacent et elle finit par plonger.

Les dorsales étant à l’origine de la mise en place de la croûte océanique à partir d’un magma peu profond et chaud, on peut déduire que le golfe d’Aden est un jeune océan qui prolonge l’océan Indien et qui se poursuit par la mer Rouge. II – Une ouverture océanique récente On peut déterminer l’âge de cet océan à l’aide du document 2. En effet, on peut dater les roches de la croûte océanique (datation des basaltes). On observe ici que les plus vieilles roches du plancher océanique ont un peu moins de 20  Ma, ce qui indique la date d’apparition de l’océan. De plus, on peut calculer la vitesse d’expansion de cet océan : vitesse = distance (km) / temps (Ma). En suivant la coupe AB, par exemple, on obtient une vitesse de :

11. L’Islande, une île volcanique particulière L’Islande se trouve sur la dorsale Atlantique. On observe sur les données de la tomographie sismique une anomalie positive de faible profondeur (150 km) tout le long de la dorsale qui correspond à du matériel chaud (magma). Les laves émises en Islande proviennent donc en partie de ce magmatisme de dorsale. On observe également une anomalie positive localisée uniquement sous la dorsale qui a une plus grande profondeur (700 km). On peut supposer que ce matériel chaud correspond à un point chaud. Les laves émises en Islande proviennent donc également d’un magmatisme de point chaud.

Vers le bac

Atlantique). De plus, les données tomographiques (doc. 3) montrent l’existence d’une anomalie négative de la vitesse des ondes sismiques qui s’interprète par la présence d’un matériel plus chaud sous le golfe d’Aden (ainsi que sous la mer Rouge et la dorsale Indienne).

p. 182

12. La naissance d’un océan On cherche les indices de l’ouverture récente d’un océan dans la région du golfe d’Aden. I – Le golfe d’Aden, les indices d’une ouverture océanique On observe plusieurs indices de la présence d’une dorsale. Le document 1b nous présente une coupe transversale A-B du golfe. On observe un relief plus élevé au centre, creusé par un rift et symétrique qui laisse penser à une dorsale (type médio

400 /17 = 23,5 km/Ma = 2,3 cm/an environ (dorsale lente).

Parcours d’orientation

p. 183

Métier : Patrice, guide-géologue et animateur-nature Les principales structures de préservation de la nature sont des institutions et organismes tels que les Parcs nationaux, les Parcs naturels régionaux, les Réserves naturelles de France, l’Agence des aires marines protégées, l’Office National des Forêts, le Conservatoire du littoral… mais aussi des associations comme les conservatoires des espaces naturels, les conservatoires nationaux de botanique, le réseau océan mondial, la société française pour l’étude et la protection des mammifères, le WWF, l’ADEME… Le patrimoine géologique (parfois aussi dénommé « géopatrimoine ») est un sous-ensemble du patrimoine naturel. Il « englobe tous les objets et sites qui symbolisent la mémoire de la Terre, de l’infra-microscopique au point de vue : les traces de vie (fossiles, habitats, mines…), les roches et minéraux, les structures, les indices de climat, l’évolution des sols, des sous-sols et des paysages passés ou actuels ». Il comprend notamment l’ensemble des sites naturels d’intérêts géologiques, 91

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mais également les collections et autres objets et « curiosités géologiques ».

Actualité scientifique : L’or des océans La consommation mondiale en minerai et métaux a fortement augmenté avec l’industrialisation depuis 1900. L’exploitation des ressources terrestres est telle qu’on estime que de nombreux métaux (zinc, cuivre…) seront en rupture dès 2025.

Un enjeu économique majeur devient donc l’exploitation de nouvelles ressources. Les fumeurs noirs sont d’importants gisements de minerai et de métaux inexploités jusqu’à présent. Cependant, ces fumeurs noirs sont aussi le lieu d’habitation d’une étonnante faune encore assez méconnue. L’exploitation de ces sites pose donc le problème de la préservation de cette grande biodiversité, impliquée dans l’écosystème océanique.

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Chapitre 9 : La dynamique des zones de convergence

CHAPITRE 9  La dynamique des zones de convergence

Manuel p. 184-209

I. Introduction Programme Connaissances La lithosphère océanique plonge en profondeur au niveau d’une zone de subduction. Activité 1 Les zones de subduction sont le siège d’un magmatisme sur la plaque chevauchante. Activité 2 Le volcanisme est de type explosif : les roches mises en place montrent une diversité pétrologique mais leur minéralogie atteste toujours de magmas riches en eau. Activités 3 et 4 Ces magmas sont issus de la fusion partielle du coin de manteau situé sous la plaque chevauchante ; ils peuvent s’exprimer en surface ou peuvent cristalliser en profondeur, sous forme de massifs plutoniques. Ils peuvent subir des modifications lors de leur ascension, ce qui explique la diversité des roches. Activité 4 La fusion partielle des péridotites est favorisée par l’hydratation du coin de manteau. Activité 4 Les fluides hydratant le coin de manteau sont apportés par des transformations minéralogiques affectant le panneau en subduction, dont une partie a été hydratée au niveau des zones de dorsales. Activité 4 La mobilité des plaques lithosphériques résulte de phénomènes de convection impliquant les plaques elles-mêmes et l’ensemble du manteau. Activité 5 L’augmentation de la densité de la lithosphère constitue un facteur important contrôlant la subduction et, par suite, les mouvements descendants de la convection. Ceux-ci participent à leur tour à la mise en place des mouvements ascendants. Activités 5 et 6 Capacités →→ Analyser les résultats de différentes méthodes pour identifier le plan de Wadati-Benioff. Activité 1 →→ Relier la minéralogie des roches (présence de minéraux hydroxylés) mises en place (andésite, rhyolite, granites) et l’état d’hydratation du magma. Activité 3 →→ Utiliser le diagramme de phases des péridotites pour montrer les effets de l’hydratation. Activité 4 →→ Comparer la minéralogie d’échantillons illustrant la déshydratation de la lithosphère (schiste bleu ; éclogite). Activité 4

Commentaires pédagogiques La notion de rapprochement des plaques et d’enfouissement au niveau des fosses océaniques est acquise au collège, avec des modèles analogiques. L’ordre de grandeur et la vitesse des phénomènes, de quelques centimètres par an, a été apprise aussi.

BIBLIOGRAPHIE ◗◗ Ouvrages de référence -- Marcel Lemoine, Pierre de Graciansky, Pierre Tricart, De l’océan à la chaîne de montagnes : tectonique des plaques dans les Alpes, Gordon and Breach, 2000.

◗◗ Sites internet -- Métamorphisme, magmatisme, tectonique par Christian Nicollet : http://christian.nicollet.free.fr/ -- Réserves naturelles de France, géologique de Haute-Provence : www.reserves-naturelles.org/geologique-de-haute-provence 93

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II. Corrigés Activités

p. 186-197

Activité 1 Mise en évidence de la dynamique des zones de convergence • Durée estimée : 40 minutes • Objectif  : Exploiter les résultats de différentes méthodes pour mettre en évidence la subduction de la lithosphère océanique. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Formuler un problème scientifique. Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Concevoir, créer, réaliser

Mettre en œuvre un protocole expérimental.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié.

Exploitation des documents L’analyse du document 1 montre que les roches les plus anciennes des fonds océaniques sont bien plus récentes que les roches de la croûte continentale, donc soit l’expansion océanique a débuté il y a 180 millions d’années, soit la lithosphère océanique disparaît au bout de quelques millions d’années. La discontinuité des âges est flagrante à la limite des plaques, notamment au niveau de la plaque sud-américaine. Le document  2 (fosse des Mariannes) montre l’existence d’une fosse très profonde et un enfoncement presque à la verticale de la lithosphère océanique, avec une vitesse de plongement de l’ordre de 10 cm/an. Pour caractériser ces zones de plongement, ou zones de subduction, on exploite les documents 2, 3, 4 et 5. Le document 2 montre l’existence d’une fosse océanique (relief négatif). La sismicité des zones de subduction est très importante (ici en Guadeloupe, sur 10 ans, environ 5 000 séismes). On voit que la répartition n’est pas quelconque, et que si la majorité des séismes concerne les 50 premiers kilomètres, il existe des séismes dont l’hypocentre est plus profond (jusqu’à 200 km de profondeur). Or, à cette profondeur, il ne devrait pas y avoir de lithosphère, et donc pas de séismes. Les hypocentres des séismes matérialisent donc la présence d’un panneau de lithos-

phère plongeante. L’angle (ou pendage) que fait ce panneau avec la surface est ici de 45°. Doc. 4 : cette activité peut donner lieu à une activité pratique. À partir du logiciel, les élèves travaillent en groupe sur une zone (Antilles, Chili, Mariannes, Japon, îles Aléoutiennes). À la fin de l’activité, il peut y avoir mise en commun des informations recueillies pour dégager une conclusion commune : à l’aplomb des zones de subduction, une anomalie « froide » montre l’existence d’un panneau rigide de lithosphère plongeante. On suit ce panneau jusqu’à une profondeur de 700 km. Cette activité peut aussi se prolonger en localisant les volcans actifs (préparation de l’activité 2). Doc. 5 : le plan qui délimite le toit (c’est à dire le sommet de la lithosphère plongeante) est appelé par les géologues plan de Wadati-Bénioff. Sur ce document on voit la relation entre le pendage, la distance à la fosse et la position des volcans actifs. Corrigés du guide de travail • Les zones de subduction sont situées à la limite entre deux plaques tectoniques, là où la lithosphère océanique plonge dans l’asthénosphère. • Les hypocentres des séismes dessinent un plan plongeant (plan de Wadati-Bénioff) et la tomographie sismique révèle l’existence de panneaux de lithosphère froide en profondeur. Synthèse : La lithosphère océanique formée dans les zones d’accrétion est subduite dans l’asthénosphère au niveau des zones de subduction.

Activité 2 Les zones de subduction, des zones géologiques actives • Durée estimée : 30 minutes et 30 minutes supplémentaires s’il y a un débat • Consigne : Expliquer en quoi le volcanisme des zones de subduction se distingue de celui des zones de divergence. • Compétences Compétences Pratiquer des langages

Capacités associées Communiquer dans un langage scientifiquement approprié.

Exploitation possible des documents avec vos élèves –– Repérer les caractéristiques de l’activité volcanique de la Montagne Pelée (doc. 1). –– Étudier le contexte géodynamique de l’arc volcanique des Petites Antilles (doc. 2).

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Chapitre 9 : La dynamique des zones de convergence

–– Lister les signes avant-coureurs et les caractéristiques de l’éruption paroxystique de Soufriere Hills (docs. 3 et 4). –– Comparer la viscosité des différentes laves selon leur teneur en silice et selon leur température au moment de l’éruption (doc. 5). –– Expliquer le comportement explosif des éruptions à laves andésitiques et rhyolitiques.

Exploitation des documents

Connaissances utiles –– Tectonique des plaques. –– Volcanisme des zones de divergence. –– Mécanisme de la subduction.

On voit sur ce document que l’essentiel des roches émises en contexte de subduction est de l’andésite, mais qu’il existe d’autres roches volcaniques (dont la dacite).

Propositions de mise en œuvre →→ Possibilité de construire un tableau de comparaison des dynamismes éruptifs à partir des documents du livre. →→ Possibilité de débattre sur la nécessité d’évacuer la zone de Montserrat à partir des arguments extraits des documents du livre : –– une moitié d’élèves défend les intérêts des habitants qui ne veulent pas évacuer ; –– l’autre moitié justifie la nécessité d’évacuer.

Activité 3 Nature et origine des roches associées aux zones de subduction • Durée estimée : 30 minutes • Objectif  : Caractériser minéralogiquement et chimiquement les roches associées aux zones de subduction et comprendre l’origine du magma correspondant. • Compétences Compétences

Le document  1 compare les volumes de roches volcaniques émises en contexte de subduction (Martinique) et de volcanisme intraplaque des îles océaniques. Remarque : le volcanisme de point chaud n’a pas été abordé, mais on peut en parler ici, sans aller jusqu’à l’origine du magma.

Docs. 2 et 3 : ces document viennent en complément ou bien se substituent à une activité pratique d’observation microscopique au microscope polarisant. Conseil pratique : veiller à être à l’extiction maximale (noir le plus profond possible) en LPA. Piste de travail : construire un tableau — Voir le tableau en bas de page. — Pour aller plus loin, on remarquera l’abondance de plagioclases zonés dans les andésites. Doc. 4 : repérer les différences géochimiques dans les minéraux des roches magmatiques étudiées. Le quartz est absent des basaltes, il n’y a pas non plus de minéraux hydroxylés. Les roches des zones de subduction sont donc riches en silice et en eau (minéraux hydoxylés). On peut aussi s’intéresser à la composition en Ca et en Na (flèches rouges) qui est hors programme mais néanmoins intéressante à analyser. Corrigés du guide de travail

Capacités associées

• Les roches des îles océaniques et des arcs insulaires sont très différentes du point de vue minéralogique et de leur composition chimique.

Pratiquer des démarches scientifiques

Formuler un problème scientifique. Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Concevoir, créer, réaliser

Réaliser un tableau de comparaison

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié.

• Les roches magmatiques volcaniques ont une composition riche en silice et en minéraux hydroxylés. Les roches plutoniques ont une structure grenue, caractéristique d’un refroidissement lent.

Structure microlithique Nom de la roche Minéraux Présence de verre et microlites

Structure grenue

Andésite

Rhyolite

Granite

Granodiorite

plagioclases zonés micas amphiboles

quartz feldspath

quartz feldspath micas

feldspath plagioclase amphiboles pyroxène

oui

oui

non

non

refroidissement rapide

refroidissement lent

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Synthèse : Les roches grenues et microlithiques des zones de subduction résultent de la cristallisation plus ou moins rapide de magma riche en silice et en eau.

Activité 4 Origine et formation du magma • Durée estimée : 45 minutes • Objectif : Chercher des indices sur l’origine du magmatisme dans les zones de subduction. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Formuler un problème scientifique. Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Concevoir, créer, réaliser

Mettre en œuvre un protocole.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié.

Exploitation des documents Doc. 1 : sur cette coupe on a matérialisé les lignes isothermes. L’élève peut construire sur papier millimétré ou sur un tableur l’évolution de la température en fonction de la profondeur. On appellera cette construction le « géotherme de la zone de subduction ». Doc. 2 : il est possible de reproduire expérimentalement les conditions de température et de pression (liée à la profondeur). Si on soumet une péridotite broyée à ces conditions en présence d’eau (très important à faire noter), il y a une fusion partielle en bordure de grains. Ce liquide fondu a une densité inférieure à celle de la péridotite de départ et une composition proche de celle de l’andésite, donc la fusion partielle des péridotites en présence d’eau forme un liquide magmatique de composition andésitique. Remarque : le pourcentage de péridotite fondue est très faible ! Le document 3 permet de répondre à la question «  Quelles sont les conditions de fusion dans les zones de subduction ? » Sur ce document figurent le géotherme (en pointillé) et le solidus (domaine d’apparition des premières gouttelettes de liquide magmatique) trouvés expérimentalement. Piste d’exploitation : ce document est à rapprocher du document  5 p.  187, où l’on constate que les volcans actifs se situent à l’aplomb du plan de Bénioff lorsque celui-ci est à une profondeur de l’ordre de 80 à 100 km. Repérer le domaine de formation du magma sur le document : on définit un domaine de pression (et

donc de profondeur) et de température où la fusion est réalisée. Elle est compatible avec les données du document 5 p. 187. Cette fusion ne peut se faire qu’en présence d’eau. Le document 4 permet de répondre à la question « d’où vient l’eau nécessaire à la fusion partielle des péridotites  ?  ». Des réactions chimiques libèrent d’importantes quantités d’eau : Clinopyroxène + Plagioclase Æ Glaucophane + Eau Clinopyroxène + Glaucophane Æ Grenat + Jadéite + Eau Ces réactions se traduisent par des transformations minéralogiques visibles sur des échantillons de roches de la lithosphère océanique (gabbros et basaltes). Le document 5 répond à la question « Dans quel contexte se produisent ces réactions  ?  » Nous savons (chapitre 8) que les roches de la lithosphère océanique sont transformées et hydratées en vieillissant. L’eau est présente dans les minéraux altérés (amphibole hornblende, chlorite, etc.). Sur le schéma, on constate que la subduction de la lithosphère océanique s’accompagne d’une augmentation de température et de pression. Les minéraux ne sont plus à l’équilibre avec les conditions thermo-dynamiques et se transforment, libérant de l’eau. Cette eau va circuler dans les roches du manteau et donc favoriser leur fusion. Corrigés du guide de travail • Les péridotites fondent à une température proche de 1 000 °C, à une pression d’environ 3 GPa (environ 100 km de profondeur). • La fusion des péridodites ne peut se faire qu’en présence d’eau, puisque c’est le solidus hydraté qui vient couper le géotherme de la zone de subduction. • Cette eau provient de la déshydratation des roches de la lithosphere océanique lors de la subduction. Synthèse : Les roches de la lithosphère océanique subduite vont libérer d’importantes quantités d’eau lors des transformations minéralogiques liées à leur enfouissement. Les péridotites mantelliques au dessus de la plaque subduites vont fondre partiellement en présence d’eau et former un magma enrichi en eau. Ce magma va remonter à travers la lithosphère et atteindre des réservoirs magmatiques formant des roches magmatiques grenues ou bien des roches volcaniques en cas d’éruption.

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Chapitre 9 : La dynamique des zones de convergence

Activité 5 Une sortie sur le terrain dans les Alpes

Activité 6 L’Himalaya, une chaîne de collision

• Durée estimée : 30 minutes • Consigne  : Repérer à différentes échelles les indices de structures tectoniques qui témoignent d’un raccourcissement et d’un épaississement de la croûte. • Compétences

• Durée estimée : 20 minutes • Consigne : Mettre en évidence les particularités et les marqueurs d’une collision entre deux blocs continentaux.

Compétences Pratiquer des langages

Capacités associées Communiquer dans un langage scientifiquement approprié.

Exploitation possible des documents avec vos élèves –– Interpréter le pli du Vélodrome présent dans l’introduction, en s’aidant éventuellement d’un site Internet  : http://www.reserves-naturelles. org/geologique-de-haute-provence. –– Observer et caractériser les différentes structures géologiques présentes dans les documents (docs. 1, 2 et 3). –– Faire le même travail à l’échelle pluri-kilométrique avec le document 4, en observant la complexité des structures et l’intensité des déformations. –– Observer à l’échelle d’une chaîne de montagnes les structures profondes (doc. 5). Mettre en évidence la structure en éventail et l’approfondissement du Moho, ainsi que la dissymétrie des structures tectoniques. Connaissances utiles –– Existence de contraintes qui déforment les strates géologiques. –– Phénomène de la subduction. –– Le Moho. Propositions de mise en œuvre →→ Possibilité de réaliser des croquis légendés des structures identifiées en précisant l’échelle, les contraintes et en identifiant sur le croquis un niveau repère. →→ Possibilité de concevoir des modélisations analogiques permettant de relier les structures observées à une collision continentale et au raccourcissement et à l’épaississement de la croûte.

Exploitation possible des documents avec vos élèves –– Observer les reliefs importants présents dans les documents 1 et 2 et interpréter cela en terme d’épaississement crustal. –– Rechercher les indices permettant de prouver l’existence d’un raccourcissement et d’un épaississement de la croûte. Connaissances utiles –– La tomographie permet de visualiser des anomalies de vitesse de propagation des ondes interprétées en termes d’anomalies thermiques. Ces connaissances peuvent être utilisées au sein de cette activité, mais elles ne sont pas exigibles dans le chapitre. Propositions de mise en œuvre →→ Possibilité de comparer les structures observées dans les documents aux observations faites à partir de la sortie dans les Alpes (activité  5) afin de montrer que les deux chaînes résultent d’une convergence continentale. →→ Possibilité de compléter ces documents en utilisant Google Earth et en se focalisant sur les sites étudiés dans le manuel.

S’entraîner

p. 206

6. La contamination des magmas par la fusion des sédiments océaniques Le magma des zones de subduction se forme par fusion des péridotites mantelliques. Une hypothèse suggère que les sédiments entraînés lors de la subduction de la plaque plongeante pourraient contaminer le magma. Pour valider cette hypothèse, on analyse la teneur en 10Be, un isotope d’origine cosmogénique. Dans les magmas des dorsales océaniques et du volcanisme intraplaque, le taux de 10Be est de l’ordre de 1,106. Des analyses pratiquées sur les laves des arcs insulaires et des zones de subduction montrent des valeurs largement supérieures. D’où vient ce Beryllium  ? Cet élément précipite avec 97

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l’eau de pluie et se fixe dans les sédiments argileux. On peut supposer que le 10Be est entraîné avec les sédiments argileux de la plaque plongeante et qu’une partie de ces sédiments peut entrer en fusion et contaminer le magma.

7. Le mont Cervin, une montagne très particulière Le mont Cervin est un sommet à 4 477 m. C’est un des plus hauts sommets des Alpes. La coupe interprétative montre, du bas vers le haut, des roches cristallines qui appartiennent à la marge passive de l’océan Alpin, surmontées par des schistes et des ophiolites témoignant de l’ancien océan alpin puis enfin par un ensemble de roches appartenant à la lithosphère continentale de la marge africaine. Les différentes unités sont séparées par des contacts anormaux. Si on remonte le temps et si on replace tous ces éléments dans le contexte géodynamique avant la collision, ces unités structurales aujourd’hui empilées représentaient la marge active et passive d’un océan en fin de subduction et au début de la collision. On voit ici les conséquences de la collision : un important épaississement vertical dû à la superposition d’unités tectoniques et le raccourcissement vertical, ici de plusieurs centaines de kilomètres.

8. Un contact anormal : le front Pennique Sur cette interprétation d’un paysage du col du Galibier, on voit, du bas vers le haut, des terrains d’âges différents séparés par de grandes failles plates. Ces failles mettent en contact de façon anormale des terrains plus jeunes (Éocène) et plus anciens (Trias, Jurassique, Crétacé) dans un ordre qui n’est pas chronologique. Ces contacts anormaux de grande ampleur font se superposer de façon anormale des unités géologiques d’origine lointaine, appelées nappes de charriage. Au Col du Galibier, ce contact majeur est appelé front pennique. Au moins trois unités différentes s’empilent sur ce paysage, montrant l’importance de l’épaississement et du raccourcissement. Remarque  : on retrouve le front pennique sur le profil ECORS des Alpes.

Vers le bac

p. 207-208

9. Les chaînes de montagne Il s’agit d’extraire des arguments qui étayent l’existence d’une subduction de la croûte continentale à partir de l’analyse des documents proposés. Doc. 1 : sur cette représentation du Moho dans la région de l’Himalaya, la profondeur du Moho est traduite dans une gamme de couleurs, allant du moins profond (bleu) au plus profond (rouge). Sur cette carte, on voit que le Moho atteint une profondeur de 66 km à l’aplomb de la chaîne montagneuse. Doc. 2 : sur cette carte géologique simplifiée de la chaîne himalayenne on retrouve des ophiolites, témoins de la subduction d’un ancien océan. Ce document permet de localiser la vallée de Kaghan, où affleurent des roches de la croûte continentale. Ces roches très déformées sont d’anciennes roches volcaniques. D’après le document 3, dans ces roches d’origine continentale on trouve, en inclusion dans du pyroxène, des cristaux de coésite entourés par une couronne de quartz. D’après le document 4, il existe différentes formes de quartz, dont la coésite, et ces formes de quartz ont des domaines de stabilité très précis. Expérimentalement, on peut retrouver les conditions de stabilité de la coésite : la pression doit être supérieure à 27 kilobars, ce qui correspond, d’après le document, à une profondeur supérieure à 80 kilomètres. Mise en relation des informations : À l’aplomb de l’Himalaya, on observe un approfondissement du Moho, c’est-à-dire de la limite entre la croûte et le manteau lithosphérique, ainsi que des traces d’une ancienne subduction. Les roches de la croûte continentale ont pu ainsi se trouver à des profondeurs importantes. La présence d’inclusions de coésite, une forme de quartz de haute pression, dans des roches continentales de la vallée du Kaghan montre que la croûte continentale s’est retrouvée entraînée à une profondeur de l’ordre de 80 à 100 km. Ces minéraux témoignent donc de conditions de pression anormalement élevées, et d’un plongement de la croûte continentale. Remarque : la position actuelle de ces roches et de l’auréole rétromorphique de quartz autour des reliques de coésite témoigne de la remontée de celles-ci lors de l’exhumation des roches profondes, trop « légères » lors du relâchement des contraintes à la fin de la collision.

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10. Épicentres des séismes dans les Alpes Les Alpes sont une zone sismiquement très active, avec de très nombreux séismes. La fréquence de ces séismes est d’autant plus importante que l’on s’approche de l’axe de la chaîne. On sait que les séismes sont dus à l’activité de failles.

D’après le document, le jeu des failles actives est actuellement un jeu en extension. On parle ici de rejeu des failles. On peut supposer que la chaîne alpine est encore active. Les failles actives jouent en extension dans la partie centrale, indiquant que les Alpes en sont arrivées au stade du relâchement des contraintes dans leur partie centrale.

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Chapitre 10 : L’organisation des écosystèmes

CHAPITRE 10   L’organisation des écosystèmes

Manuel p. 212-233

I. Introduction Programme Connaissances Les écosystèmes sont constitués par des communautés d’êtres vivants (biocénose) interagissant au sein de leur milieu de vie (biotope). Activité 1 La biocénose est en interaction avec le biotope (répartition des espèces selon les conditions abiotiques). La diversité des interactions biotiques s’étudie à la lueur de leur effet sur la valeur sélective des partenaires : compétition (pour la lumière, l’eau, les nutriments, …), exploitation (prédation, parasitisme) et coopération (mutualisme, dont symbiose). Activité 2 ; exercices 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 et 15 Ces interactions structurent l’organisation (biodiversité de l’écosystème), l’évolution (dynamique des populations) de l’écosystème. Activités 3 et 4 ; exercices 6, 7, 9, 10, 13 et 15 Notions fondamentales Écosystème, interactions, biodiversité, relations interspécifiques. Objectifs Les élèves comprennent la complexité d’un système écologique, en caractérisent l’organisation (frontière, élément, flux, interactions). Capacités →→ Formuler et résoudre une question ou un problème scientifique. Activité 2 ; exercice 15 →→ Concevoir et mettre en œuvre un protocole. Activité 2 ; exercice 12 →→ Communiquer dans un langage scientifiquement approprié. Activités 1 et 3 ; exercices 5, 9, 10, 11 et 13 →→ Interpréter des résultats et en tirer des conclusions. Activités 3 et 4 ; exercices 6, 7 et 14 →→ Extraire et organiser des informations, issues de l’observation directe sur le terrain, pour savoir décrire les éléments et les interactions au sein d’un système. Activités 1, 3 et 4 ; exercice 8 →→ Comprendre l’importance de la reproductibilité des protocoles d’échantillonnage pour suivre la dynamique spatio-temporelle d’un système. Activité 4 →→ Décrire à l’aide d’observations et de préparations microscopiques et d’expériences les modalités de certaines interactions. Activité 2 ; exercices 12 et 14 →→ Savoir représenter un réseau d’interactions biotiques afin de mettre en évidence sa structure (liens) et sa richesse. Activité 3 ; exercice 8 Précisions L’étude des agrosystèmes et des sols a été traitée en Seconde. Il ne s’agit pas dans cette partie de faire un catalogue exhaustif des écosystèmes (structure et fonctionnement) mais, à partir d’un exemple observable, d’appréhender la diversité des interactions dans un écosystème et leurs effets sur sa dynamique.

Commentaires pédagogiques Ce chapitre a pour objectif de montrer que les écosystèmes ne se définissent pas que par leurs constituants, biocénose et biotope (activité 1) ; ils se définissent aussi par les interactions mises en place entre biotope et biocénose d’une part (activité 1) mais aussi entre éléments de la biocénose (activités 2 et 3). Ces interactions sont diversifiées ce qui rend la structure de l’écosystème complexe et les éléments constitutifs interdépendants (activité 3). Ces interactions sont responsables d’une dynamique des populations et d’une dynamique spatio-temporelle de l’écosystème dans son ensemble (activité 4). 101

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BIBLIOGRAPHIE ◗◗ Ouvrages de référence -- Roger Dajoz, Précis d’écologie, Dunod, 8e édition, 2006. -- Robert Barbault, Écologie générale – Structure et fonctionnement de la biosphère, Dunod, 6e édition, 2008. -- Otto Hans-Jürgen, Écologie forestière, IDF, 1998. -- Marc-André Sélosse, La symbiose. Structures et fonctions. Rôle écologique et évolutif, Vuibert, 2000. -- Jean Garbaye, La symbiose mycorhizienne : une association entre les plantes et les champignons, Quae, 2013.

◗◗ Sites internet -- http://education.ign.fr/dossiers/foret-france-metropolitaine

II. Corrigés Activités

p. 214-221

Activité 1 Un exemple d’écosystème : la forêt • Durée estimée : 20 minutes • Objectif  : Identifier les éléments d’un écosystème, leur répartition spatiale et leurs interactions. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Formuler un problème scientifique. Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : schéma.

Adopter un comportement éthique et responsable

Si cette activité est construite à partir d’une sortie sur le terrain, respecter les milieux naturels.

Exploitation des documents Cette activité est construite de manière qu’elle soit transposable en sortie pédagogique. Elle est donc construite à partir d’un exemple précis. Les documents 1 et 2 permettent de définir les caractéristiques principales du biotope : températures et précipitations, pente, pH du sol, nature de la roche mère... Les documents 3, 4 et 5 permettent de recenser les êtres vivants présents. Il est possible de les regrouper en taxons pour organiser le recensement.

Ces mêmes documents permettent de constater une répartition particulière des êtres vivants selon deux axes spatiaux, horizontal (docs. 3 et 5) et vertical (doc. 4). Les documents 2, 3 et 5 permettent de comprendre qu’il existe une interaction biotope/biocénose. Le document 3 permet de constater une différence de composition de la biocénose entre les deux sites. Le document 5 montre que les exigences des végétaux recensés dans les deux sites sont différentes. Les végétaux du site  1 soutiennent les milieux acides et peuvent supporter une faible quantité d’eau disponible alors que ceux du site 2 ne supportent pas les milieux acides et ont besoin d’une certaine quantité d’eau disponible. Le document 2 indique que le site 1 a effectivement un pH acide contrairement au site 2. On peut donc supposer une interaction biotope/biocénose. Corrigés du guide de travail • Le milieu de vie ou biotope se caractérise par les conditions environnementales notamment les paramètres physico-chimiques, température, précipitations (eau), pH du sol. • De nombreux êtres vivants occupent le biotope. L’ensemble des êtres vivants constitue la biocénose. Elle est organisée en populations, une population étant l’ensemble des individus d’une même espèce vivant dans le milieu étudié. Les êtres vivants présentent une organisation verticale en strates et une répartition horizontale hétérogène. • Cette répartition horizontale hétérogène est à mettre en relation avec le biotope. La comparaison des sites 1 et 2 montre des conditions environnementales différentes (pH, quantité d’eau disponible…). Cette répartition particulière est liée à une interaction biotope/biocénose.

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Chapitre 10 : L’organisation des écosystèmes

Synthèse : Un écosystème est constitué d’un biotope (milieu de vie) et d’une biocénose (ensemble des êtres vivants). Le biotope est caractérisé par les conditions physico-chimiques. La biocénose est un peuplement ou ensemble de populations (ensemble d’individus de la même espèce). La répartition de la biocénose dans le biotope dépend des contraintes environnementales que les individus d’une espèce sont capables de supporter. Cette gamme, résultante des interactions biotope/biocénose, définit la niche écologique potentielle de l’espèce.

Activité 2 Un exemple d’interaction biotique : la symbiose • Durée estimée : 40 minutes • Consigne : Expliquer en quoi l’interaction entre un arbre forestier et un champignon mycorhizien apporte un bénéfice essentiel à la survie des deux individus. • Compétences Compétences

Capacités associées

Concevoir, créer, réaliser

Mettre en œuvre un protocole.

Pratiquer des démarches scientifiques

Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Adopter un comportement éthique et responsable

Si le prélèvement des échantillons est fait en sortie, appliquer les règles de prélèvement en milieu naturel.

Exploitation possible des documents avec vos élèves –– Décrire la disposition relative des organismes observables dans le document 1. –– Utiliser le document 2 et la définition ci-dessous pour caractériser les associations observées entre champignons et arbres forestiers. –– Exploiter le document 3 pour mettre en évidence que l’arbre forestier tire un bénéfice de l’association avec le champignon mycorhizien. Ne pas oublier d’identifier le témoin et de comparer les valeurs (en calculant un rapport, par exemple). –– Exploiter le document 4 pour mettre en évidence que le champignon mycorhizien tire un bénéfice de l’association avec l’arbre forestier. Ne pas oublier d’identifier le témoin et de comparer les valeurs (en calculant un rapport par exemple).

–– Conclure sur la nature de l’interaction biotique arbre forestier/champignon mycorhizien. Connaissances utiles –– La symbiose est une association étroite, durable et à bénéfice réciproque entre deux organismes d’espèce différente. –– La symbiose est une association spécifique d’espèce. Propositions de mise en œuvre →→ Possibilité de mettre en œuvre cette activité à la suite d’une sortie sur le terrain où les élèves ont prélevé des plants d’arbres forestiers d’espèces différentes. Les élèves pourront faire l’observation des mycorhizes sur leur propre échantillon en suivant les consignes du document 1. Les élèves ayant prélevé des espèces différentes, ils pourront constater que de nombreuses espèces d’arbres sont mycorhizées. Ce constat permettra ensuite d’amener l’étude du document 2. →→ Possibilité de faire travailler les élèves en binôme sur les documents 3 et 4. Chaque élève travaille un des deux documents et présente à l’oral ses conclusions à son binôme. Ensemble, ils concluent à la nature symbiotique de l’association.

Activité 3 Diversité des interactions biotiques et organisation des écosystèmes • Durée estimée : 20 minutes • Objectif  : Comprendre en quoi les interactions entre les êtres vivants, notamment d’exploitation, agissent sur leur valeur sélective et expliquent la structuration spatiale et le fonctionnement des écosystèmes. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Pratiquer des langages

Savoir représenter un réseau d’interactions biotiques afin de mettre en évidence sa structure (liens) et sa richesse. Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : schéma et texte.

Exploitation des documents Pour chaque interaction, il faut montrer que l’exemple répond à la définition de l’interaction 103

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considérée en s’appuyant le plus possible sur la notion de valeur sélective.

valeur sélective) est affectée = désavantage pour l’arbre.

La valeur sélective (ou fitness) correspond à la contribution relative à la génération suivante d’une classe de la population (allèle, individus…) ; elle s’exprime par le produit de la viabilité (survie) et de la fécondité. La discussion est donc similaire à celle faite sur les risques  : si la viabilité ou la fécondité est affectée alors la valeur sélective l’est.

La galle constitue un abri pour la larve (puis la nymphe) de l’insecte mais aussi une réserve nutritive = avantage pour l’insecte.

Doc. 1 : l’intensité lumineuse décroît avec la densité des plants quelle que soit la plante de sousbois (rapport de 5 entre les deux conditions extrêmes). Le témoin (= pas de plantes de sous-bois) n’est pas à 100 % du fait de l’installation de l’expérimentation : les parcelles voisines font une légère ombre (indiqué dans l’article source). La biomasse diminue avec la densité (donc l’intensité lumineuse, rapport de 6 environ entre les deux conditions extrêmes). La viabilité (= survie des pins) est affectée puisque la croissance est moindre : cela joue donc sur la valeur sélective. La présence de sous-bois limite l’incidence de lumière au niveau des jeunes plants de pin : il y a compétition pour la lumière ressource commune aux deux plantes (lien à faire avec la photosynthèse). Doc. 2 : le texte permet de dire que l’on a prédation  : les chauves-souris se nourrissent aux dépens d’une autre espèce. Le texte indique une corrélation entre activité et densité des proies (abondance des papillons). L’activité enregistrée est représentative d’une activité liée à la prédation, et il y a une réponse comportementale à la densité de proies (intensification de la chasse). Le graphe illustre la prédation à la lueur de la valeur sélective : la fécondité, un des éléments de définition de la valeur sélective décroît avec l’activité des chauves souris. Le lien avec la prédation est aisé : les femelles étant mangées, il y a moins de ponte. Doc. 3 : la galle est une excroissance constituée de tissus végétaux : de la matière organique produite par le végétal est consommée pour construire l’abri de l’insecte. Ces tissus sont enrichis en sucres qui seront consommés par l’insecte  : le détournement de matière organique est augmenté. Si les tissus infectés sont au niveau des structures reproductrices de l’arbre, la fécondité (donc la

C’est donc une relation de parasitisme. Doc. 4 : le geai consomme les glands du chêne = avantage pour le geai (augmente la viabilité des individus). Il les consomme toute l’année, y compris à des périodes où il est difficile de les trouver sur le sol = il les consomme à partir de son propre stock. En oubliant un certain nombre de ses caches, les glands enfouis sont donc susceptibles de germer et donner de nouveaux individus. La dispersion des glands se fait à distance par le geai (sinon barochorie seule). = avantage pour le chêne (augmente la viabilité des individus). On a donc un avantage réciproque = mutualisme. Contrairement à la symbiose, il n’y a pas de relation anatomique étroite. C’est une relation de type coopération. Corrigés du guide de travail • À partir des indications fournies dans l’exploitation des documents ci-dessus, construire un tableau similaire à celui de la partie cours p. 222. • Construire un schéma similaire à la partie haute du schéma « L’essentiel par l’image » p. 225. Synthèse : Les êtres vivants interagissent entre eux. Ces interactions biotiques sont diversifiées, selon les espèces impliquées dans l’interaction ou selon l’effet de l’interaction sur les individus. On distingue ainsi des interactions de type compétition, mutualisme (coopération ou symbiose), exploitation (prédation, parasitisme). Ces interactions influent sur la valeur sélective des individus (nombre de descendants laissés par un individu et qui survivent jusqu’à l’âge adulte par rapport à celui laissé par les autres individus). Ces interactions nombreuses structurent les écosystèmes : elles sont à l’origine d’une biodiversité de l’écosystème et d’une organisation en réseau. Elles influencent la répartition des espèces dans le milieu et restreignent la niche écologique potentielle en niche écologique réalisée.

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Activité 4 Interactions entre les êtres vivants et la dynamique des écosystèmes • Durée estimée : 20 minutes • Objectif : Mettre en évidence l’influence des interactions biotiques sur la dynamique des populations et sur la dynamique de l’écosystème dans son ensemble.

Plusieurs sources : 1) biodiversite.ac-clermont.fr/index.php?PHPSESSID= 9v54uoln4218kplq9i0rju6ed2&m=3&sm=1 2) Ree-auvergne.org/sites/default/files/acteurs/ dossier_peda_biodiversite.pdf

• Compétences Compétences

Sur le terrain il est possible de travailler l’importance de l’échantillonnage avec les élèves. Par exemple, on peut faire des groupes qui travaillent sur le recensement des essences forestières soit avec la méthode des transects soit avec la méthode des quadrats.

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Comprendre l’importance de la fiabilité et de la reproductibilité des résultats. Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : texte.

Adopter un comportement éthique et responsable

Comprendre la dynamique des écosystèmes pour l’intégrer dans le cadre du développement durable.

Exploitation des documents Doc.  1  : l’étude de la dynamique de populations nécessite des relevés au cours du temps  : ces relevés doivent être fiables et reproductibles pour que les résultats soient représentatifs de la réalité. Les résultats permettent de montrer que les densités sont relativement faibles (densité pour 10 ha alors que le quadrat en fait 25). La seconde colonne montre qu’il faut multiplier le nombre de visites pour recenser la population. Il n’y a pas forcément de corrélation entre densité et nombre de visites (ce ne sont pas forcément les oiseaux de densité les plus faibles qui nécessitent le plus de visites par exemple) ce qui suggère que le comportement des différentes espèces peut jouer. En l’occurrence, ici, il faudrait au moins 13 visites si on souhaite reproduire le recensement sur une autre année pour suivre la dynamique spatio-temporelle. La seconde partie du document montre aussi qu’il y a un biais expérimentateur : il y a une variabilité individuelle concernant l’interprétation. Ceci suggère qu’un suivi sur plusieurs années nécessiterait qu’il soit fait par le même individu ou qu’il faut améliorer la méthode, notamment mieux standardiser la méthode.

3) dossier pédagogique avec proposition d’activité sur méthode des quadrats et transect et comportant des liens vers le site foretpriveefrancaise (CNPF) : http://www.foretpriveefrancaise.com/ibp/ Doc.  2  : on observe une dominance des espèces héliophiles les 40 premières années puis les espèces intermédiaires les remplacent. Les espèces sciaphiles dominent après 80 ans environ. On a bien une succession des espèces au cours du temps. Au moment de la coupe rase, il n’y a plus d’obstacle vis-à-vis de la lumière : les espèces héliophiles (dont le développement nécessite beaucoup de lumière) prédominent (les conditions correspondent à leur niche écologique, elles sont plus compétitives). Puis leur présence amène un couvert ce qui diminue l’éclairement et favorise alors les espèces sciaphiles dont le développement est favorisé en éclairement faible. Ce sont donc à la fois les interactions biocénose/ biotope et biocénose/biocénose qui permettent d’expliquer cette dynamique temporelle. Doc. 3 : la conséquence de cette dynamique temporelle des végétaux a une incidence sur celle de la faune. Les espèces nichant au sol ou dans des milieux ouverts prédominent dans les premiers stades qui contiennent peu d’arbres ou des arbres peu élevés. Les espèces nichant dans des arbres plus hauts apparaissent en même temps que le perchis. Les espèces nichant dans les cavités apparaissent en dernier lorsque les arbres sont devenus hauts et âgés (ils présentent alors les cavités = habitats de ces oiseaux). Là encore, on observe l’influence des interactions biotiques  : la flore offre un habitat aux oiseaux. 105

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Donc la présence de la flore conditionne celle de la faune. Corrigés du guide de travail • La faible densité des populations d’oiseaux implique que l’échantillonnage nécessite beaucoup de visites pour qu’il soit représentatif (fiable). Un biais expérimentateur existe. Le diminuer au maximum est nécessaire pour que la méthode soit reproductible. • Il existe une dynamique spatio-temporelle de la biocénose : –– Cette dynamique est étroitement liée aux interactions biotope/biocénose et biocénose/­ biocénose existantes dans un écosystème. Ces interactions modifient les conditions environnementales donc les niches écologiques, ce qui explique que de nouvelles espèces, plus adaptées, s’installent à la place des espèces présentes. Il y a ainsi mise en place de successions. –– Ceci conforte le fait qu’un écosystème soit défini non seulement par le biotope et la biocénose, mais aussi par les interactions établies entre les différents éléments de l’écosystème. –– Cette dynamique augmente la biodiversité, surtout si plusieurs stades d’une succession coexistent. Synthèse : Ces interactions sont responsables d’une dynamique des populations, notamment de leur effectif. Cette dynamique influence celle de l’écosystème entier. Dans le temps, se succèdent ainsi différentes populations : ce sont des successions écologiques.

S’entraîner

p. 227-228

4. Rechercher l’étymologie des mots suivants Écologie : terme issu du grec « oikos » qui signifie maison et du grec « logos » qui signifie discours. Biotope : terme issu du grec « bios » qui signifie vie et du grec « topos » qui signifie lieu. Biocénose : terme issu du grec « bios » qui signifie vie et du grec « koinos » qui signifie communauté. Mycorhize : terme issu du grec « myco » qui signifie champignon et du grec «  rhiza  » qui signifie racine. Symbiose : terme issu du grec « syn » qui signifie avec et du grec « bios » qui signifie vie.

5. Traduire un schéma en un texte Doc. 2 : on observe une répartition de la végétation selon l’altitude (= notion d’étagement). Les principaux arbres sont peu mélangés et se succèdent dans l’espace. Doc.  1  : les exigences  des essences sont très variables : certains ne supportent pas les basses températures et fortes précipitations (chênes) et d’autres supportent des températures plus basses et précipitations élevées (sapin, épicéa), une espèce est intermédiaire (hêtre). Ces exigences déterminent la niche écologique de ces différentes espèces. On retrouve la même succession entre le document 1 et le document 2 : chêne, hêtre, sapin, épicéa. Connaissances de l’élève (au moins sur température) : la température diminue et les précipitations augmentent avec l’altitude. Donc, l’étagement ou répartition selon l’altitude est le résultat de l’interaction biotope/biocénose. Remarque : il est possible de faire ici de la différenciation pédagogique  : demander aux élèves ayant un bon niveau de maîtrise de l’étude documentaire et de raisonnement d’expliquer la différence adret/ubac.

6. La zonation des algues en bord de mer Pelvetia présente une croissance identique qu’elle soit dans son étage ou dans celui du fucus (courbes rouge et orange chevauchantes). En revanche, le fucus ne survit pas dans l’étage de pelvetia. Donc, contrairement au fucus, pelvetia pourrait vivre sur une zone plus importante que celle observée : la niche écologique potentielle de pelvetia correspond aux deux étages. Mais elle est limitée, probablement car le fucus et pelvetia entrent en compétition. La répartition de pelvetia est donc restreinte à la zone où le fucus ne peut survivre (niche écologique réalisée).

7. Étude d’une succession végétale Sous couvert de pins, l’éclairement relatif est très faible (hêtre/pin : rapport pouvant atteindre 3). Le document montre que les semis de hêtres survivent à 95 % pour des éclairements faibles (2 %) alors que ceux de résineux survivent moins voire pas du tout (de 75 à 0 %). On peut parler d’espèce sciaphile pour le hêtre et d’espèce intermédiaire ou héliophile pour les autres selon le % de survie des semis.

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Chapitre 10 : L’organisation des écosystèmes

La confrontation des deux informations permet de conclure que, sous le couvert de pins donnant un faible éclairement, les semis de hêtres survivent mieux : ils prédominent donc dans la compétition entre les semis des différentes espèces vis-à-vis de la lumière. À terme, la forêt de hêtres remplace donc celle de pins.

8. La biodiversité du sol Le réseau de l’écosystème sol se construit à partir des éléments du texte :

divisé par un peu plus de 3 dans la condition lumière). La photosynthèse, donc la production de matière organique, est moins importante à l’ombre. Cette production moindre de matière organique est compensée par un apport du bouleau au douglas via les mycorhizes. Donc le douglas tire bénéfice du pont mycorhizien. Aucun avantage n’est indiqué pour le bouleau à qui la matière organique est prélevée. Donc, avec les seules données de l’exercice, on peut conclure qu’il y a bénéfice pour le pin douglas mais pas pour le bouleau : le douglas semble donc parasite du bouleau. Cependant le manque de données ne permet pas d’être affirmatif.

Vers le bacp. 229-232 La biodiversité du sol peut s’estimer par l’abondance d’un taxon donné (doc. 2) et par la diversité des taxons présents (docs. 1 et 2). Doc. 2 : la forêt est pauvre en nématodes et lombrics, mais plus riche en biomasse microbienne. La prairie est riche en lombrics et nématodes mais plus pauvre en biomasse microbienne que la forêt. La culture est pauvre en biomasse microbienne et acariens notamment. Doc. 1 : le nombre de taxons bactériens dans les sols forestiers est plus faible que dans les sols de prairies ou de cultures (information apparemment contradictoire de celle du document  2). Ceci montre l’intérêt d’utiliser plusieurs critères pour définir la biodiversité : un sol contenant un taxon très abondant présente finalement moins de biodiversité qu’un sol contenant plusieurs taxons moyennement abondants. Donc l’occupation des sols influence la biodiversité. Étant donné le réseau de l’écosystème sol ci-dessus, on peut supposer que, les fragments végétaux morts étant de nature différente entre une forêt, une culture et une prairie, le réseau entier est différent.

9. Les ponts mycorhiziens Les résultats montrent : –– qu’il y a un flux réciproque. Mais le flux net (différence entre les deux flux totaux) est toujours du bouleau vers le pin douglas ; –– que l’intensité du flux dépend de l’intensité lumineuse (flux important dans la condition ombre,

10. Importance des interactions biotiques dans les écosystèmes Le développement structuré correspond aux parties 2 et 3 du cours. En introduction, il est possible de donner la définition d’un écosystème et de s’appuyer sur celle-ci pour justifier l’intérêt du sujet. En conclusion, il est possible de reprendre les idées importantes (dans le même esprit que « l’essentiel par le texte ») et d’ouvrir sur les perturbations possibles de ces interactions et leurs conséquences ainsi que sur la gestion des écosystèmes.

11. La valeur sélective pour les nuls Il faut donner la définition de la valeur sélective et discuter les éléments pouvant influencer celle-ci notamment les interactions biotiques.

12. Étude d’une nodosité La mise en évidence de bactéries nécessite de prélever une nodosité, de la déposer entre deux lames, de l’écraser, d’enlever la lame supérieure, d’ajouter du bleu de méthylène, colorant révélant les bactéries. De placer ensuite une lamelle et d’observer au microscope optique, les bactéries étant des organismes d’environ 1 µm.

13. L’organisation des dunes littorales Doc. 1 : le relief de la dune est variable. Les points les plus hauts sont situés aux transitions avantdune/dune mobile et dune mobile/dune fixée. Une 107

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dépression est ainsi observable au niveau de la dune mobile et de la dune boisée. La végétation est différente : de hautes herbes au niveau de la dune mobile, des buissons denses et de l’herbe au niveau de la dune fixée et de hauts arbres au niveau de la dune boisée.

ration permet une absorption plus importante des ions minéraux par les filaments qui les distribuent à la plante et permettent ainsi une croissance en taille et masse plus importante.

Doc. 2 : le profil de la dune est légèrement différent du document 1 mais on retrouve la succession de points hauts et de dépressions.

Doc. 3 : le système de « split-root » permet d’avoir un témoin au niveau de la plante elle-même. Les racines mycorhizées reçoivent environ deux fois plus de sucres issus de la photosynthèse que les racines non mycorhizées. On peut supposer que ces sucres supplémentaires sont fournis aux filaments mycorhiziens. Ils tirent donc un bénéfice de cette association.

Les vents sont forts en A et B aussi bien à 10 cm qu’à 1,5 m de hauteur : il y a érosion et ces zones restent peu élevées. En arrière de C, le vent est très faible à 10 cm du sol ce qui explique qu’il puisse y avoir dépôt de sable et formation d’un point haut. Le vent à 1,5 m de hauteur restant élevé, les végétaux présents sont plutôt des herbes. En D, dune fixée, le vent est relativement important à 10 cm du sol ce qui peut expliquer la formation d’une dépression. Le vent à 1,5 m de hauteur est plus faible qu’en C ce qui peut expliquer l’installation de buissons denses. En E, dune boisée, le vent est très faible ce qui permet l’installation d’arbres et ainsi la fixation de la dune.

14. Étude d’une interaction biotique Doc.  1  : filaments mycorhiziens et plante sont associés au niveau de la racine. Doc.  4  : cette association peut être étroite, des filaments se trouvent dans les cellules. Doc. 1 : la zone d’exploration est augmentée par la présence de filaments mycorhiziens : il peut y avoir ainsi absorption de l’eau et des ions minéraux sur un plus gros volume de sol. La nutrition de la plante peut ainsi être favorisée. Doc.  2A  : l’accroissement en hauteur des plants mycorhizés est supérieur à celui des plants non mycorhizés, témoins. Cette différence est peu marquée en saison sèche (× 1 à × 2) contrairement à la saison humide (× 2 à × 2,5). La croissance est donc favorisée par la présence de mycorhizes.

La plante tire donc un bénéfice de cette association.

Donc, les deux partenaires de l’association en tirent un bénéfice réciproque : c’est une relation de mutualisme. Cette association étant étroite, c’est une symbiose.

15. Le geai, ingénieur forestier Doc. 1 : il pose la problématique : il y a une apparente contradiction entre la vitesse de progression de l’aire de répartition du chêne et le mode de dissémination du chêne, la barochorie. On peut donc supposer qu’un autre élément disséminateur intervient. L’hypothèse du geai qui se nourrit de glands peut être émise. Doc. 2 : il existe un choix privilégié des glands du chêne pédonculé par rapport au hêtre et au chêne rouge. Il n’y a pas de différence entre chêne pédonculé et chêne rouvre. Donc, il existe une sélection par le geai, il transporte préférentiellement les glands du chêne pédonculé et du chêne rouvre. Doc. 3 : le pourcentage optimal de glands transportés correspond à la taille des glands de chêne pédonculé. Doc. 4 : quel que soit le poids des glands, ce sont les glands longs et effilés qui sont le plus transportés (× 1,5 à × 2). La forme des glands semble donc être un critère de sélection par le geai. Pour les glands longs et effilés, c’est la catégorie 3-4 g qui est la plus transportée, ce qui correspond à ce qui est observable dans le document 3.

Doc. 2B : les biomasses ligneuses et foliaires des plants mycorhizés sont plus importantes (× 2 à ×  2,5) que celles des plants témoins, ce qui confirme les résultats du document 2A.

Doc.  5  : les glands de chêne rouvre et de chêne pédonculé, les plus transportés par le geai, n’ont pas la même forme. Ceux du chêne pédonculé sont plus longs et effilés.

Les teneurs en N et P des plants mycorhizés sont environ deux fois plus importantes à celles des plants témoins. Ceci est à mettre en relation avec le document 1. L’augmentation de la zone d’explo-

p Quel que soit le critère étudié c’est le critère correspondant à la morphologie du gland du chêne pédonculé qui est sélectionné par le geai. Il y a bien spécificité d’espèce.

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Chapitre 10 : L’organisation des écosystèmes

Doc. 6 : ce sont les glands matures, donc capables de germer, qui sont le plus transportés : cela augmente la valeur sélective du chêne. Étant donné la spécificité d’espèce, le geai choisit les glands de chêne pédonculé  : ils sont donc emmenés loin du pied parent, ce qui a pour conséquence une augmentation de l’aire de répartition plus rapide que par barochorie.

Parcours d’orientation

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Métier : Célia, chargée de mission Natura 2000 On peut supposer que le triton crêté n’est pas présent dans la basse vallée du Rhône du fait de la présence d’autres espèces, écrevisses et poissons. Soit il y a compétition entre l’une de ces espèces et le triton ce qui réduit les niches écologiques du triton soit il y a prédation. Dans tous les cas il y a une interaction biotique à effet négatif pour le triton crêté. Pour aller plus loin sur les parcours : Vetagrosup est une des nombreuses écoles nationales d’ingénieur agroalimentaire et d’ingénieur agronome existant en France. Elles sont accessibles par différentes voies. La diversité des métiers et les écoles y préparant sont le site suivant : https://www.concours-agro-veto.net/spip. php?rubrique332

Actualité scientifique : Gestion forestière et réchauffement climatique Le pourcentage de la surface occupée par les conifères au voisinage des arbres étudiés est représentatif de l’intensité de la compétition exercée par les conifères sur les arbres étudiés. Aucun des arbres ne présente une différence de croissance des racines en fonction de l’intensité de compétition, sauf le hêtre dont les racines peuvent atteindre 40  cm de profondeur au lieu de 20  cm dans le cas d’une intense compétition (se référer aux lettres présentes au niveau des histogrammes). Donc, sous l’effet d’une compétition pour une ressource, l’eau, le hêtre présente une modification de son développement racinaire (c’est ce qu’on appelle la plasticité phénotypique). Cela lui permet un accès à une ressource d’eau non exploitée. Cette différence de réponse vis-à-vis d’une pression du milieu, ici la compétition, explique son caractère plus compétitif. Le réchauffement climatique amènera des épisodes de sécheresse importants. La ressource en eau sera donc limitée et la compétition entre les arbres plus forte. Le maintien de la production de bois dans les régions tempérées nécessite de prévoir quelles essences forestières seront les plus adaptées. Ici, en l’occurrence le hêtre étant plus compétitif, et présentant une plasticité, est un candidat pour la sylviculture future à ne pas écarter bien qu’il soit présent dans des stations où la sécheresse est limitée.

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Chapitre 11 : Les écosystèmes, un fonctionnement en équilibre dynamique

CHAPITRE 11   Les écosystèmes, un fonctionnement en équilibre dynamique Manuel p. 234-253 I. Introduction Programme Connaissances Les interactions biotope/biocénose et biotiques structurent l’organisation (biodiversité de l’écosystème), l’évolution (dynamique des populations) et le fonctionnement de l’écosystème (production, flux de matière et réservoirs, recyclage de la matière organique, etc.). En particulier, les êtres vivants génèrent ou facilitent des flux de matière (eau, carbone, azote, etc.) qui entrent (absorption racinaire, photosynthèse, respiration), circulent (réseau trophique) et sortent (évapotranspiration, érosion) de l’écosystème. Une partie de la matière est recyclée, notamment grâce au sol. L’effet des écosystèmes dans les cycles géochimiques ainsi constitués, se mesure par des bilans d’entrée/sortie de matière. Activités 1 et 2 ; exercices 6, 7, 9, 10, 11, 13, 14, 15, 16 et 19 Même sans l’action de l’Homme, les écosystèmes montrent une dynamique spatio-temporelle avec des perturbations (incendies, maladies) affectant les populations. La complexité du réseau d’interactions et la diversité fonctionnelle favorisent la résilience des écosystèmes, qui jusqu’à un certain seuil de perturbation, est la capacité de retrouver un état initial après perturbation. Un écosystème se caractérise donc par un équilibre dynamique susceptible d’être bousculé par des facteurs internes et externes. Activité 3 ; exercices 8, 12, 17 et 18 Objectifs Les élèves comprennent la complexité d’un système écologique, en caractérisent l’organisation (frontière, élément, flux, interactions). Ils apprennent qu’il n’y a pas d’équilibre stable des écosystèmes mais des équilibres dynamiques susceptibles d’être bousculés (perturbation, résilience, perturbation irréversible). Capacités →→ Extraire et organiser des informations, issues de l’observation directe sur le terrain, pour savoir décrire les éléments et les interactions au sein d’un système. Comprendre l’importance de la reproductibilité des protocoles d’échantillonnage pour suivre la dynamique spatio-temporelle d’un système. →→ Utiliser des outils simples d’échantillonnage pour mettre en évidence la répartition de certaines espèces en fonction des conditions du milieu. →→ Décrire à l’aide d’observations et de préparations microscopiques et d’expériences les modalités de certaines interactions. Activité 2 ; exercices 8, 12 et 18 →→ Savoir représenter un réseau d’interactions biotiques afin de mettre en évidence sa structure (liens) et sa richesse. →→ Mesurer la biomasse et la production d’un écosystème à différents niveaux du réseau trophique. Activités 1 et 2 ; exercice 13 →→ Construire un cycle biogéochimique simplifié avec ces réservoirs et ces flux (on recommande le carbone) dans lequel l’écosystème intervient. Calculer un bilan de matière, considérant l’écosystème comme ouvert. Activité 2 ; exercices 6, 7, 10 et 11 Précisions L’étude des agrosystèmes et des sols a été traitée en Seconde. Il ne s’agit pas dans cette partie de faire un catalogue exhaustif des écosystèmes (structure et fonctionnement) mais, à partir d’un exemple observable, d’appréhender la diversité des interactions dans un écosystème et leurs effets sur sa dynamique. On relie aussi la diversité fonctionnelle d’un écosystème à la diversité spécifique/génétique, garante de cette diversité fonctionnelle. 111

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Commentaires pédagogiques Les interactions biocénose/biotope et biotiques structurent l’organisation (biodiversité) et l’évolution (dynamique des populations) de l’écosystème. Mais elles structurent aussi le fonctionnement de l’écosystème. Le fonctionnement des organismes et les interactions biotiques, d’ordre trophique essentiellement, permettent la production de matière (activité 1) et des flux de matière et d’énergie (activité 2). Ces flux de matière conduisent à un recyclage de la matière (activité 2). La production de matière et les flux de matière et d’énergie peuvent être quantifiés, étape fondamentale dans la compréhension de la dynamique des écosystèmes (activités 1 et 2). Cette dynamique peut être perturbée par des phénomènes naturels (incendies, maladies) mais les écosystèmes présentent une capacité à revenir à leur état initial : c’est la résilience (activité 3). Les écosystèmes ont donc un fonctionnement en équilibre dynamique.

BIBLIOGRAPHIE ◗◗ Ouvrages de référence -- Roger Dajoz, Précis d’écologie, Dunod, 2006. -- Robert Barbault, Écologie générale : structure et fonctionnement de la biosphère, Dunod, 2008. -- Otto Hans-Jürgen, Écologie forestière, Institut pour le développement forestier, 1999.

◗◗ Sites internet -- Banque de données sur les incendies de forêts en région Méditerranéenne en France : http://www.promethee.com/

II. Corrigés

Adopter un comportement éthique et responsable

Activitésp. 236-241 Activité 1 La production de matière d’un écosystème • Durée estimée : 40 minutes • Objectif : Mesurer la biomasse et la production de l’écosystème, à différents niveaux du réseau trophique, pour comprendre comment le fonctionnement des organismes et leurs interactions organisent l’écosystème. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Concevoir, créer, réaliser

Mesurer la biomasse et la production d’un écosystème à différents niveaux du réseau trophique. Mettre en œuvre un protocole.

Pratiquer des langages

Utiliser des outils numériques : logiciel de traitement de données. Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : texte. 3

Participer à l’élaboration de règles de sécurité et les appliquer sur le terrain.

Exploitation des documents Doc. 1 : cette activité peut être menée en partie sur le terrain avec les élèves. Ils peuvent ainsi travailler sur leurs propres données en classe. Associée à l’exercice d’actualité scientifique, il est possible de faire comprendre la difficulté des mesures du stock de carbone, mesure dont la précision a une incidence sur tous les modèles d’évolution du fonctionnement des écosystèmes en lien avec le réchauffement climatique. Il est possible d’amener les élèves à réfléchir sur la conception de modèles : –– nécessité d’avoir des mesures fiables (retour sur la réflexion concernant les échantillonnages) ; –– retours permanents entre réalité et modèle pour l’affiner ; –– calculs fastidieux = les modèles permettent de faire des estimations plus faciles si un paramètre est changé. Doc. 2 : il existe une corrélation linéaire entre biomasse aérienne et souterraine et volume de bois fort (déterminé à la coupe). Il est donc possible de déterminer la biomasse totale en ne mesurant que le bois fort.

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Doc. 3 : changement d’échelle puisque l’on passe aux différents écosystèmes mondiaux. L’ensemble des forêts représente 24  % de la production primaire planétaire : la forêt est un enjeu majeur. La forêt tempérée constitue 1/5 de cette production  : il faut donc prendre conscience que les enjeux liés à la forêt sont aussi locaux (préparer ainsi le troisième chapitre du thème). La production primaire dépend du type de forêt. Les facteurs possibles sont  : le climat (cf. inter­ action biotope/biocénose chapitre 10), les espèces d’arbre. Doc. 4 : les biomasses sont regroupées en termes de niveau trophique. La pyramide relate les interactions trophiques des organismes : les consommateurs primaires se nourrissent des producteurs primaires (herbivores) et les consommateurs secondaires se nourrissent des consommateurs primaires (relation proie-prédateur). Les décomposeurs se nourrissent de la matière organique morte et des excréments. La représentation est statique : il n’y a pas de production de matière visible en tant que telle. Mais elle permet de comprendre qu’il y a un flux de matière d’un niveau à l’autre (ce qui amène l’activité suivante). Corrigés du guide de travail • À partir du document 1, il est possible de calculer le volume de bois fort tige (suivre les différentes indications du cahier de terrain et de la mesure de volume). Puis le document 2 permet de calculer la biomasse tige. Le graphe lui permet de déduire la masse de branches et racines. La somme des deux biomasses donne la biomasse totale. Cette biomasse totale peut ensuite être convertie en biomasse carbone grâce à la formule indiquée dans le document 2. –– Avantages de la méthode : • cette méthode est une méthode issue de l’exploitation forestière : c’est celle qui fournit le plus de données ; • la méthode de mesure est simple. –– Limites de la méthode : • les arbres sont assimilés à des cylindres coniques ; • le coefficient correcteur n’est pas forcément valable pour tous les arbres mesurés ; • les arbres de diamètre inférieur à 7,5  cm à 1 m 30 de hauteur, le sous-bois, la strate herbacée ne sont pas considérés ;

• les densités et taux de carbone sont des valeurs moyennes. Donc il y a beaucoup d’approximations, limitées au maximum par des modélisations ayant permis d’affiner au mieux les différentes valeurs moyennes et les différents coefficients correcteurs. • La production primaire est à relier au fonctionnement des organismes autotrophes (photosynthèse). Les producteurs primaires sont à la base des écosystèmes, d’où l’importance de mesurer leur biomasse et leur production de biomasse. Les productions aux autres niveaux sont liées aux interactions trophiques (doc. 4). Il est possible de noter que, d’un niveau à l’autre, il y a des diminutions de biomasse importantes = pertes importantes. Ces pertes sont liées notamment au fonctionnement des organismes (respiration). Synthèse : Les producteurs primaires permettent la production de biomasse (matière organique) par photosynthèse. C’est cette biomasse qui est à la base du fonctionnement des écosystèmes (interactions trophiques des organismes), y compris du réseau saprophagique (réseau trophique développé à partir de la matière organique morte). Les forêts constituent donc des écosystèmes importants de la production primaire nette. La mesure de la biomasse (et de la quantité de carbone qu’elle contient) est un enjeu majeur actuel car elle est à la base des études sur les modifications de fonctionnement des écosystèmes liées au changement climatique.

Activité 2 Les flux et cycles de matière • Durée estimée : 30 minutes • Objectif : Comprendre comment le fonctionnement des êtres vivants et leurs relations sont à l’origine de la circulation de matière au sein des écosystèmes. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Concevoir, créer, réaliser

Mettre en œuvre un protocole.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : schéma.

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Exploitation des documents Doc. 1 : l’interception de la pluie incidente par le feuillage limite la quantité de pluie incidente sous le couvert de l’arbre : il y a compétition pour l’eau. L’absorption de l’eau du sol par le végétal et l’évaporation au niveau de l’air permet un flux d’eau du sol vers l’atmosphère : il génère un flux de matière, une circulation de l’eau entre deux réservoirs (sol et atmosphère). Reprise du chapitre précédent : la symbiose mycorhizienne facilite ce flux. La notion de cycle peut être construite  : la pluie s’infiltrant dans le sol est absorbée par le végétal puis retourne à l’atmosphère par évaporation. Le ruissellement montre que l’écosystème est ouvert. Il est possible de faire le travail sur ce cycle pour montrer : –– qu’il existe un cycle de l’eau et que la position du végétal à l’interface sol/air est fondamentale dans la réalisation de ce cycle ; –– la notion de cycle et laisser les élèves travailler plus en autonomie sur le cycle du carbone, abordé par tous les autres documents. Doc. 2 : fonctionnement d’une chaîne alimentaire. Les interactions trophiques permettent un flux de matière. Il est possible de mettre en relation le fonctionnement de cette chaîne avec le fonctionnement autotrophe ou hétérotrophe des organismes (reprise de ce qui a été vu avec la pyramide dans l’activité précédente mais avec une présentation plus dynamique, les flux étant matérialisés). Le schéma permet –– de relier les notions de PB et PN : PN = PB – R ; –– de relier cette chaîne à celle des décomposeurs (NA) ; –– de calculer les rendements ; –– de relier ces rendements (très faibles) à la forme de la pyramide donnée dans l’activité précédente (rectangles disproportionnés, faible nombre de niveaux trophiques car beaucoup de pertes lors du flux d’un niveau à un autre) ; –– de faire calculer le rendement de la photosynthèse (inférieur à 2 %). En lien avec le document 4, il est possible de montrer que photosynthèse et respiration sont les mécanismes permettant les flux de carbone entre biomasse et atmosphère.

Doc. 3 : la condition maille 7 mm, témoin positif, montre qu’il y a dégradation de la matière organique = recyclage de la matière organique dans le sol. Les autres conditions permettent l’identification des organismes responsables de la dégradation de la matière organique  : rôle prépondérant des collemboles acariens nématodes et enchytréidés. Les feuilles placées dans les sacs de maille 0,03  mm sont restées intactes  : les microorganismes n’ont pas de rôle ou le rôle des microorganismes n’est possible que si les autres organismes ont préalablement agi sur les feuilles. Les résultats ne permettent pas de conclure en faveur de l’une ou l’autre des hypothèses. La comparaison hêtre/chêne montre l’importance de la nature de la matière organique morte sur la vitesse et l’importance du recyclage. Il est donc possible de prolonger sur le choix des essences plantées, lien avec le dernier chapitre. Doc. 4 : identification des différents réservoirs (à partir de la définition donnée dans le vocabulaire, le lien entre stock et réservoir peut être fait) : –– atmosphère ; –– biomasse ; –– sol forestier = réservoir de carbone très important à la fois dans l’écosystème et dans le monde. Ce document rappelle la place importante de la forêt dans le stockage du carbone, idée déjà amorcée dans l’activité précédente. Il est possible de prendre appui sur le programme de seconde (altération érosion, lien avec cycles biogéochimiques à établir) mais aussi de donner des documents de rappel ou complémentaires (notamment sur le piégeage de la matière organique dans les complexes argilo-humiques). Doc. 5 : le stock de carbone correspond à la production brute à laquelle sont soustraites les quantités perdues par mortalité ou prélèvement. Le taux de prélèvement actuel reste faible (50 % seulement de la production) ce qui entraîne donc une accumulation rapide de carbone dans la biomasse. La biomasse végétale constitue donc un puits de carbone atmosphérique et ainsi forme un réservoir de carbone. Le prélèvement par l’être humain implique que l’écosystème forestier est un écosystème ouvert. Il y a donc perturbation du cycle du carbone (ce qui est exporté ne retourne pas au sol) : cette perturbation nécessite de l’intégrer dans la gestion

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durable de l’écosystème (= préparation du chapitre suivant). Corrigés du guide de travail • Le végétal, par sa position à l’interface sol/air, et par son fonctionnement, participe au cycle de l’eau. Il génère une circulation du sol vers l’atmosphère et modifie le flux de l’atmosphère vers le sol. La symbiose mycorhizienne, qui permet une absorption d’eau plus importante, facilite ce flux. Ils participent également au cycle du carbone. Par la photosynthèse, ils permettent le flux de carbone de l’atmosphère vers la biosphère et stockent le carbone (puits de carbone). Ils fournissent de la matière organique morte aux décomposeurs du sol. Mais les végétaux par la respiration participent aussi au flux de carbone de la biosphère vers l’atmosphère. • Les réservoirs sont la biomasse, le sol (biomasse + complexes argilo-humiques), l’atmosphère. Aux réservoirs identifiés ici il faut rajouter hydrosphère, roches carbonées, roches carbonatées. Dans les réservoirs, le carbone est stocké. Il est sous forme minérale ou organique selon le réservoir. Les flux entre réservoirs sont permis par le fonctionnement des organismes (photosynthèse et respiration) et par les interactions entre les organismes (interactions trophiques). Certaines de ces interactions peuvent faciliter les flux entre réservoirs (exemple des symbioses). Les écosystèmes sont des systèmes ouverts : ils échangent avec le milieu extérieur (exemple ruissellement de l’eau) et l’être humain effectue des prélèvements. Ces prélèvements modifient les flux entre réservoirs (exemple  : le prélèvement de bois limite le flux de matière organique morte vers le sol). Synthèse : La construction du cycle attendu peut se faire sur le modèle de celui schématisé page 243.

Activité 3 Perturbation et résilience de l’écosystème • Durée estimée : 40 minutes • Consigne  : Expliquer comment l’écosystème forestier est perturbé par un incendie de forêt et réagit après une telle perturbation.

• Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Formuler et résoudre une question ou un problème scientifique. Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Pratiquer des langages

Utiliser des outils numériques. Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : oral.

Adopter un comportement éthique et responsable

Fonder sur des arguments scientifiques ses choix de comportement vis-à-vis de l’environnement.

Exploitation possible des documents avec vos élèves –– À partir du document 1, déterminer la surface de végétation brûlée lors de l’incendie de la Croix-Valmer. Expliquer comment la carte de sévérité du feu est établie. –– Exploiter le document 2 pour dégager les effets d’un incendie et expliquer en quoi un incendie constitue une perturbation de l’écosystème. Discuter l’impact de ces effets sur la capacité de la végétation à reprendre au niveau d’une surface brûlée. –– Exploiter le document 3 pour dégager les caractéristiques de deux espèces méditerranéennes leur permettant de se réinstaller après un incendie. –– Déterminer à partir du document  4 le temps nécessaire à la population du roitelet triple bandeau pour retrouver l’abondance initiale et l’expliquer en utilisant les informations du document 4 et vos connaissances. –– Comparer les deux graphes du document 5 pour expliquer l’effet d’une augmentation de la fréquence des incendies (indiquée en introduction de l’activité) sur la résilience d’une forêt de pins. –– Dans le cadre d’une gestion raisonnée, indiquer, en argumentant à partir des documents 3 et 5, quelle espèce est, à terme, la plus adaptée. Connaissances utiles –– La résilience d’un écosystème est, jusqu’à un certain seuil de perturbation, la capacité de retrouver un état initial après perturbation. –– Des successions écologiques sont observées dans le temps avec des changements dans la composition floristique et faunistique d’un peuplement. 115

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Propositions de mise en œuvre →→ Possibilité de faire travailler les élèves en binôme : –– travail en commun sur les documents 1 et 2 ; –– travail personnel sur les documents 3 à 5 ; l’un travaille seulement sur le chêne-liège pour le document 3 l’autre travaille seulement sur le pin d’Alep pour le document  3. Puis, après avoir étudié les docs, chaque élève explique à l’autre en quoi l’espèce qu’il a étudiée est adaptée à la perturbation de type incendie et argumente du caractère judicieux ou non de planter cette espèce au vu de l’augmentation des incendies de forêt. →→ Possibilité de demander aux élèves de réaliser la bande-son d’un diaporama regroupant les différents documents de l’activité afin d’expliquer comment les connaissances sur la résilience d’un écosystème après incendie permettent de déterminer un choix de gestion des forêts méditerranéennes.

S’entraîner

p. 247-249

5. Traduire un texte en schéma Le schéma attendu est celui présenté page 243.

6. Peuplement forestier et cycle du carbone L’analyse des quantités de carbone séquestré annuellement par le pin gris et l’érable à sucre fait ressortir des différences marquées sur le plan de l’allocation du carbone entre les différentes parties du végétal. Dans un premier temps, l’érable à sucre fixe une quantité totale de carbone beaucoup plus importante que le pin gris (+ 72 %) mais ce dernier produit plus de biomasse ligneuse. Le pin gris effectue donc une plus grande séquestration de carbone (la durée de vie de la biomasse ligneuse correspond à celle de l’arbre). L’érable à sucre produit moins de matière ligneuse car l’allocation du carbone favorise nettement les feuilles et les racines fines dont la durée de vie est d’une saison de croissance ou moins. Cependant, l’érable à sucre est plus longévive que le pin gris donc sa biomasse ligneuse (tige, branches et grosses racines) pourrait constituer, à long terme, un meilleur réservoir de carbone.

Les quantités totales de carbone fixé par la végétation vont éventuellement retourner au sol sous forme de débris végétaux, de remplacement des racines et finalement d’arbres morts. L’impact que chacun des peuplements a sur le cycle du carbone est donc complexe. Il est difficile de savoir lequel est susceptible de mieux stocker le carbone.

7. Déforestation et stock de carbone du sol Le témoin correspond à la partie de la courbe avant t0 : le stock de carbone est important dans le sol forestier (16 kg·C·m–2), ce qui confirme les données vues précédemment. En 10 ans, le stock a diminué de moitié, la décroissance est exponentielle, donc l’usage du sol modifie son comportement et sa capacité à stocker le carbone. Hypothèses  : érosion du sol (programme de seconde) et/ou vitesse de décomposition de la matière organique dans le sol plus importante. La déforestation a finalement deux effets  : elle diminue le caractère puits de carbone lié à la photosynthèse et elle diminue la capacité de stockage du carbone par le sol.

8. Diversité végétale et perturbation des écosystèmes On observe une décroissance linéaire de l’indice de pathologie en fonction de la diversité végétale (représentée par le nombre d’espèces végétales). Donc la perturbation de l’écosystème due à un parasite est limitée si la diversité est élevée. Il est donc important de maintenir la diversité (elle favorise finalement la résilience, qui est aussi la capacité à résister aux perturbations).

9. Exploitation forestière et fertilité des sols L’exploitation provoque une exportation de matière organique : le système est ouvert. Elle limite donc le recyclage de la matière par le sol, puisque c’est autant de matière en moins qui forme la litière. L’accroissement moyen annuel du nouveau peuplement augmente linéairement en fonction de la matière organique laissée au sol après exploitation du premier peuplement de la parcelle. Plus cette matière laissée au sol est importante, plus il y a de recyclage de matière, réutilisable

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ensuite par les plantes, d’où l’effet observable sur l’accroissement. L’exploitation forestière doit donc sur le long terme conserver une fertilité des sols en limitant l’exportation de la matière organique.

10. Feuilles des arbres et cycles des éléments Les feuilles des arbres représentent une biomasse très faible (entre 5 et 20  %) Le pourcentage de biomasse diminue d’autant plus que la plantation est âgée (il y a stockage de biomasse dans le tronc = épaississement, ce qui diminue proportionnellement la biomasse de feuilles). Il y a donc un faible stockage de carbone dans les feuilles car ce sont des organes régulièrement renouvelés. Mais ce sont les feuilles qui constituent l’essentiel de la litière et permettent le recyclage de la matière et la vie du sol. Par contre, les feuilles sont les parties du végétal qui stockent le plus d’azote (entre 30 et 70  %), azote qui est recyclé dans le sol et permet ensuite la nutrition minérale des végétaux. Donc une exportation des feuilles lors de l’exploitation risque d’avoir surtout un effet sur la fertilité des sols liée à l’azote (à relier à l’exercice précédent).

11. Mangroves et cycles du carbone Le sol des mangroves est celui qui stocke le plus de carbone (700 Mg C·ha–1/de 100 à 600 Mg C·ha–1 pour les autres sols). Ce sont les mangroves qui présentent le plus de biomasse végétale (environ 300 Mg C·ha–1/de 20 à 150 Mg C·ha–1 environ pour les autres zones), biomasse qui stocke le carbone (parties ligneuses) ou qui sera recyclée au niveau du sol (parties aériennes essentiellement). Les mangroves constituent donc un important stock de carbone à la fois au niveau de la biomasse qu’au niveau du sol.

12. Diversité génétique et la graphiose de l’Orme Les clones sont des ensembles d’individus génétiquement identiques entre eux. Les plantations expérimentales permettent de vérifier que les individus issus du clonage sont résistants, tout comme les individus parents.

L’essai b montre la résilience (= capacité à revenir à l’état initial correspondant aux cas de rémission) et une mortalité faible (uniquement 20 % alors que l’épidémie a tué quasiment tous les ormes). L’essai c montre beaucoup moins de mortalité et plus d’individus sains. Deux hypothèses sont possibles pour expliquer les différences entre ces deux essais : le temps (la placette c est plus jeune donc la propagation de la maladie et l’expression de la résilience–rémission ne sont pas encore observables) ou le type de clones (on ne sait pas si les clones sont les mêmes dans les deux essais présentés). L’essai a montre un bilan de tous les essais et globalement une bonne résistance à la maladie. Donc la diversité génétique a permis l’existence de quelques individus résistants. C’est l’utilisation de clones qui permet d’envisager la plantation d’ormes en limitant la perturbation (maladie) et en facilitant la résilience.

13. Écosystèmes aquatiques et pyramides écologiques La biomasse de phytoplancton est faible car le phytoplancton est constitué de cyanobactéries et algues microscopiques, organsimes de petite taille. C’est ce qui explique le caractère inversé de la pyramide des biomasses. Mais ce sont des organismes qui se renouvellent très vite (temps de résidence de moins de 15 jours), ce qui implique que la productivité est très importante. La pyramide du flux d’énergie a donc une allure typique de pyramide avec une base large. C’est cette pyramide qui est la plus représentative du fonctionnement de l’écosystème puisqu’elle montre que la productivité est suffisante pour alimenter les niveaux trophiques suivants.

Vers le bac

p. 250-252

14. L’arbre forestier et le cycle du carbone Les réservoirs de carbone auxquels l’arbre participe sont : –– la biosphère (notamment, la partie ligneuse a une durée de vie de plusieurs années et stocke ainsi le carbone) ; –– le sol, par le recyclage de la matière, notamment des feuilles. Les flux de carbone auxquels l’arbre participe : –– flux de l’atmosphère vers la biosphère, l’arbre étant un producteur primaire (photosynthèse) ; 117

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–– flux de la biosphère vers l’atmosphère (respiration) ; –– flux au sein de la biosphère (réseau trophique : l’arbre producteur primaire est consommé par les herbivores) ; –– flux de la biopshère vers le sol (recyclage de la matière organique par les décomposeurs). Le schéma principal peut s’appuyer sur celui de «  l’essentiel par l’image  » p.  245 où il ne faut conserver que ce qui concerne le cycle du carbone.

lera moins longtemps et émettra une chaleur radiante moins forte ce qui limite la propagation du feu. Donc les meilleurs végétaux ornementaux sont ceux qui sont à la fois moins inflammables et moins combustibles, par exemple le pittospore. Limiter le risque incendie peut se faire en respectant les distances habitat–forêt, mais aussi en choisissant des végétaux de jardin peu inflammables et peu combustibles.

15. Le recyclage de la matière grâce au sol pour les nuls

18. Blanchissement des coraux

Le contenu exigible correspond à la partie 3 du cours, page 243.

16. Le sol de l’écosystème forestier et le cycle du carbone Le flux de carbone entre sol et atmosphère est un flux allant du sol vers l’atmosphère du fait de la respiration de la biocénose du sol. Il est ainsi possible d’envisager une mesure EXAO avec sonde CO2 pour mettre en évidence ce flux. La comparaison des mesures entre un sol prélevé non stérilisé et un sol prélevé stérilisé (par passage à l’étuve par exemple) permet de montrer le rôle de la biocénose dans ce flux.

17. Mitage de l’habitat et risque incendie L’interface habitat-forêt est une zone où des règles strictes sur les distances maison/forêt sont imposées par le code forestier (cf. texte d’introduction). Cette interface représente 15 % de la surface du département : l’enjeu est donc important. L’aléa, correspondant ici au départ de feu, est élevé au niveau de ces interfaces (47 %), donc le risque incendie (correspondant à aléa × enjeux) est élevé au niveau de ces interfaces. Doc. 1  : les modalités de propagation du feu montrent que la végétation ornementale (= des jardins) peut prendre feu mais aussi protège les habitations, d’où l’importance des distances définies. Doc. 2 : l’aléa de propagation de feu par les végétaux d’ornements dépend de la combinaison de plusieurs caractéristiques : l’inflammabilité et la combustibilité. Étant donné les définitions, un végétal peu inflammable retarde le moment où il prend feu et donc retarde la propagation du feu vers l’habitat et un végétal peu combustible brû-

La confrontation des documents 1 et 2 montre une corrélation entre sévérité du blanchissement des coraux et stress thermique. Ceci suggère qu’une perturbation de l’écosystème de type élévation de température est responsable du blanchissement. La condition expérimentale où les coraux sont placés 5 jours à 32 °C puis à 28 °C correspond à une situation de stress thermique (perturbation) responsable d’un blanchissement (cf. docs. 1 et 2) et à un retour à des conditions normales. Cela permet d’observer le phénomène de résilience, c’est-à-dire la capacité des coraux à revenir à un état initial. Le contrôle correspond à des coraux laissés en permanence dans des conditions normales (28 °C). Les conditions contrôle montrent que la densité des algues reste constante pour les deux espèces de coraux étudiés (les barres d’erreurs se chevauchent donc les résultats ne sont pas différents significativement). Pour les conditions de stress thermique, au 5e jour la densité des algues est plus faible (de moitié environ) que celle de la condition témoin. Ceci indique qu’il y a expulsion des algues donc blanchissement des coraux. Ceci est conforme aux observations faites documents 1 et 2. Après le 5e jour, la densité d’algues se stabilise pour Porites cylindrica alors qu’elle chute à 0 pour Stylophora pistillata. Il y a donc résilience pour Porites contrairement à Stylophora. L’espèce d’algue étant la même mais le génotype étant différent, on peut supposer que c’est la diversité génétique des algues qui explique la différence de résilience des coraux.

19. Étude d’un écosystème marin à pyramide trophique inversée Une pyramide écologique est telle que la base est plus large que la partie haute  : la biomasse des

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Chapitre 11 : Les écosystèmes, un fonctionnementen équilibre dynamique

niveaux trophiques est décroissante des producteurs primaires aux consommateurs ultimes du réseau trophique. Les données indiquent que les proies sont en quantité moindre par rapport à leurs prédateurs, les requins (1,5 à 3,5 fois moins). Donc la pyramide est inversée. Ceci oblige a priori les requins à parcourir de longues distances pour se nourrir, action qui consomme de l’énergie. Le document  1 montre une fréquentation élevée du chenal par les requins sur la période de juillet à octobre. Or à cette période les mérous, proies potentielles des requins, se regroupent dans le chenal pour se reproduire. Il y a donc corrélation entre les fréquentations du chenal par les requins et par les mérous, ce qui permet aux requins de se nourrir. Ainsi, bien que la pyramide soit inversée, l’écosystème est fonctionnel.

Parcours d’orientation

p. 253

Métier : Jérôme, technicien forestier Les branches les plus basses sont à 6 m de haut : leur prélèvement nécessite donc a priori un système complexe de treuil pour s’élever à cette hau-

teur. La pratique du tir au fusil facilite l’échantillonnage des feuilles. Les feuilles tombées de l’arbre sont tout de suite mises en sachet, ce qui évite toute contamination et permet ainsi d’être certain que les mesures effectuées sont représentatives.

Actualité scientifique : Le Lidar, un nouvel outil en écologie Avantages : –– toute la biomasse est prise en compte (arbres et strates inférieures) (se référer à l’activité  1 du chapitre) ; –– la méthode est plus rapide : le suivi peut donc se faire sur des intervalles de temps plus courts ; –– la méthode est fiable : les points sont alignés sur une droite de pente 1, ce qui signifie que les mesures effectuées selon les deux méthodes (terrain, Lidar) donnent des résultats équivalents. Le fait que l’étude ait été faite sur 40 parcelles permet de valider les conclusions. Cependant, si on regarde la dispersion des points, les résultats semblent plus fiables pour la canopée adulte que pour les autres strates (points très proches de la droite). Donc la méthode est fiable mais présente cependant des limites.

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Chapitre 12 : L’humanité et les écosystèmes : les services écosystémiques et leur gestion

CHAPITRE 12   L’humanité et les écosystèmes : les services écosystémiques et leur gestion Manuel p. 254-275 I. Introduction Programme Connaissances L’espèce humaine est un élément parmi d’autres de tous les écosystèmes qu’elle a colonisés. Elle y vit en interaction avec d’autres espèces (parasites, commensales, domestiquées, exploitées). Activité 2 L’espèce humaine affecte le fonctionnement de la plupart des écosystèmes en exploitant des ressources (forestières par exemple), en modifiant le biotope local (sylviculture, érosion des sols) ou global (changement climatique, introduction d’espèces invasives). Beaucoup d’écosystèmes mondiaux sont impactés, avec une perte mondiale de biodiversité et des conséquences néfastes pour les activités humaines (diminution de la production, pollution des eaux, développement de maladies, etc.). Activités 1 et 2 Pourtant, l’humanité tire un grand bénéfice de fonctions assurées gratuitement par les écosystèmes : ce sont les services écosystémiques d’approvisionnement (bois, champignons, pollinisation, fruits et graines, etc.), de régulation (dépollution de l’eau et de l’air, lutte contre l’érosion, les ravageurs et les maladies, recyclage de matière organique, fixation de carbone, etc.) et de culture (récréation, valeur patrimoniale, etc.). Notre santé dépend en particulier de celle des écosystèmes qui nous environnent. Activité 3 La connaissance scientifique des écosystèmes (l’écologie) peut permettre une gestion rationnelle des ressources exploitables, assurant à la fois l’activité économique et un maintien des services écosystémiques. L’ingénierie écologique est l’ensemble des techniques qui visent à manipuler, modifier, exploiter ou réparer les écosystèmes afin d’en tirer durablement le maximum de bénéfices (conservation biologique, restauration ou compensation écologique, etc.). Activité 4 Notions fondamentales Écosystème, interactions, biodiversité, relations interspécifiques, équilibre dynamique, services éco­ systémiques. Objectifs Transformer l’approche anthropocentrée en une approche écocentrée où l’être humain est un élément des écosystèmes. Comprendre que la démarche scientifique permet d’apporter des solutions à des problèmes écologiques complexes. Capacités →→ Inscrire l’espèce humaine dans la représentation construite du réseau d’interaction. Prendre conscience de notre interdépendance avec le monde vivant qui nous entoure. Activité 2 ; exercices 6 et 14 et parcours d’orientation →→ Comprendre que la plupart des forêts actuelles (et autres écosystèmes) reflètent aussi un projet d’aménagement. Activité 3 ; exercices 10 et 17 →→ Recueillir et analyser des données avant, pendant et après la perturbation d’un écosystème (incendie, destruction, etc.). Activité 1 ; exercices 10, 12 et 16 →→ Recenser, extraire et organiser des informations, notamment historiques et de terrain, pour identifier les impacts des activités humaines sur les écosystèmes. Activités 1 et 2 ; exercices 10, 11, 12 et 16 →→ Mettre en œuvre une démarche de projet (recherche documentaire, récolte et traitement de données, etc.) pour faire appréhender les services écosystémiques (ses acteurs et ses mécanismes) et proposer des solutions de gestion durable des écosystèmes. Activités  3 et 4 ; exercices  8, 9, 14, 17 et parcours d’orientation →→ Connaître les débats existant autour de la monétarisation des services écosystémiques. Exercice 15 121

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→→ Comprendre l’importance de la démarche scientifique dans une gestion éclairée et modulable des écosystèmes afin de profiter durablement des services écosystémiques. Activité 4 ; exercices 7, 11, 13, 14, 17 et parcours d’orientation →→ Prendre conscience de la responsabilité humaine et du débat sociétal face à l’environnement et au monde vivant. Activité 2 ; exercices 6, 7, 12, 13 et 14 Précisions On ne cherche pas l’exhaustivité dans le recensement des menaces pesant sur les écosystèmes  : il importe que chaque élève comprenne les enjeux et mécanismes d’une menace dans sa complexité ainsi que les solutions apportées par la démarche scientifique.

Commentaires pédagogiques Ce chapitre est une des principales nouveautés du programme par rapport aux précédentes versions : la notion de service écosystémique est une notion relativement récente, et la gestion scientifique de ces services est en développement. Ce chapitre porte assez peu de connaissances précises à acquérir par l’élève. Au contraire, la rédaction du programme insiste sur l’acquisition des méthodes d’études et de gestion en écologie. Ce chapitre a donc été rédigé en présentant la diversité de méthode utilisées sur différents exemples afin que les élèves puissent ensuite raisonner sur n’importe quel cas. L’activité 1 se focalise sur les méthodes (protocole d’échantillonnage, méta-analyse, données satellitaires…) qui mettent en évidence la conversion et la dégradation des écosystèmes. L’activité 2 présente les outils d’analyse et de modélisation permettant la prévision des conséquences de ces impacts. L’activité 3 propose une activité contextualisée où différents groupes pourront étudier différents services écosystémiques apportés par une forêt à proximité du lycée. L’activité 4 pose les bases d’une gestion scientifique des écosystèmes, en insistant de la synthèse des connaissances préalables et l’évaluation des actions menées pour maintenir durablement les services écosystémiques. Enfin, ce chapitre amène aussi à réfléchir sur le changement d’éthique environnementale imposés par la crise écologique que nous vivons.

BIBLIOGRAPHIE ◗◗ Ouvrages de référence -- Catherine et Raphael Larrère, Du bon usage de la Nature, Pour une philosophie de l’environnement, Flammarion, 2009. -- François Ramade, Éléments d’écologie. Écologie appliquée : action de l’Homme sur la biosphère, Dunod, 7e édition, 2012. -- Claire Tirard, Luc Abbadie, David Laloi, Philippe Koubi, Écologie, Collection tout en fiches. Dunod, 2016. -- Nicolas Lieury, Vers une gestion intégrative des populations animales, www.theses.fr/2015AIXM4336, thèse de doctorat, Université Aix-Marseille, 2015.

◗◗ Sites internet -- Anna Teyssedre, Les services écosystémiques, Regards no 4 de la Société Française d’Écologie (SFE²), 2010 : www.sfecologie.org/regard/regards-4-teyssedre/ -- Henri Décamps, Les écosystèmes, Livret sur l’environnement de l’Académie des Sciences, 2013 : https://www.academie-sciences.fr/fr/Fiches-thematiques/livret-environnement.html

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Chapitre 12 : L’humanité et les écosystèmes : les services écosystémiques et leur gestion

II. Corrigés Activités

p. 256-263

Activité 1 Mesurer et suivre l’impact des activités humaines sur les écosystèmes • Durée estimée : 50 minutes • Objectif : Connaître les méthodes qui permettent de démontrer la responsabilité des activités humaines sur l’état des écosystèmes. • Compétences Compétences

Capacités associées

Concevoir, créer, réaliser

Mettre en œuvre un protocole.

Pratiquer des démarches scientifiques

Expliquer le processus de production de résultats (échantillonnage, méta-analyse, modélisation…). Interpréter des résultats et en tirer des conclusions. Synthétiser différents résultats issus d’une même démarche.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié.

Adopter un comportement éthique et responsable

Prendre conscience des impacts des activités humaines sur notre environnement.

Exploitation des documents L’objectif notionnel est la compréhension des mécanismes par lesquels les activités humaines impactent les écosystèmes. L’objectif méthodologique consiste à comprendre les méthodes permettant de mettre en évidence ces impacts. Doc. 1 : ce protocole a un intérêt scientifique s’il est répliqué rigoureusement en différents endroits ou pour différentes conditions (avec ou sans labour, avec ou sans désherbant, avec ou sans engrais…). C’est aussi l’occasion d’intégrer un réseau de science participative  : www.vigienature-ecole.fr/ les-observatoires/comment-participer-aux-­ placettes-vers-de-terre Doc. 2 : un échantillonnage doit être suffisamment répliqué avant de pouvoir être interprété. Seule une méta-analyse a une puissance statistique suffisamment élevée pour révéler un impact. C’est pourquoi il est si difficile de démontrer un impact sur l’environnement.

Doc. 3 : les résultats à échelle nationale du programme de suivi temporel des oiseaux communs (www.vigienature.fr/fr/suivi-temporel-des-­ oiseaux-communs-stoc) montrent l’effet de la dégradation des milieux agricoles sur les populations d’oiseaux. Cette démonstration repose sur 9  000 points d’écoute des chants, répartis au hasard dans les différents milieux du territoire, et répétés à l’identique depuis 30  ans. En effet, la répétition dans l’espace et le temps réduit les biais d’échantillonnage (météorologie, effet observateur…). Doc. 4 : le traitement d’image satellite (voir www. landsat.visibleearth.nasa.gov) permet de quantifier la conversion des écosystèmes, c’est-à-dire leur destruction. L’usage de Mesurim, pour quantifier cette destruction, est un exemple d’ECE possible sur ce thème. Il faudrait comparer les résultats obtenus avec des données publiées (www. globalforestwatch.org). Doc.  5  : ce document aborde le problème des espèces invasives et du réchauffement climatique qui sont des exemples de dégradation des écosystèmes. Il insiste aussi sur la méthodologie de modélisation des préférences écologiques des espèces (cf. chapitre 10). Corrigés du guide de travail • Les documents présentent trois méthodes permettant de démontrer l’impact d’activités humaines sur les écosystèmes : –– Les protocoles d’échantillonnage de biodiversité (ex : lombrics), de fonction écologique (ex : fixation CO2) ou de polluants (ex : NO3–…) permettent de comparer l’état ou le fonctionnement des écosystèmes dans différentes conditions (avec ou sans l’activité) à condition qu’ils soient répliqués à l’identique, en nombre et à échelle spatio-temporelle suffisante pour échapper aux biais potentiels (docs. 1 à 3). –– Les images satellitaires de l’état (ex : déforestation) ou du fonctionnement (ex : production primaire océanique) des écosystèmes permettent de quantifier à moindre coût des impacts anthropiques à l’échelle locale comme planétaire (doc.  4). Il faut néanmoins que le lien entre la mesure (ex : déforestation) et la réalité (biodiversité ou fixation de CO2) soit démontré au préalable. –– La modélisation est la traduction mathématique ou statistique d’un mécanisme écologique afin d’expliquer des observations. En extrapolant dans le temps ou dans l’espace des connais123

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sances acquises par échantillonnage, elle permet de mieux concevoir l’importance d’un impact et ces conséquences (doc. 5). • La diversité des impacts des activités humaines sur les écosystèmes s’organise en deux principales composantes : –– La conversion correspond à la destruction de tout (ex : déforestation et doc. 4) ou partie (ex : pêche intensive du thon) d’un écosystème et à son remplacement par un système de plus faible biodiversité. L’urbanisation, la construction de routes, l’agriculture intensive (docs. 2 et 3), l’exploitation des ressources (déforestation, pêches industrielles…) détruisent la majorité des espèces présentes ainsi que le fonctionnement général de l’écosystème. –– La dégradation des écosystèmes est l’ensemble des mécanismes qui fragilise l’état comme le fonctionnement des écosystèmes  : réchauffement climatique (doc.  5), espèces invasives (doc. 5), pollutions de l’air, de l’eau et du sol. La fragmentation des écosystèmes par conversion (comme la construction de routes) est aussi un facteur de dégradation car, en rompant les flux d’individus et de matière dans les écosystèmes, elle en fragilise le fonctionnement (doc. 4). Elle favorise notamment la dérive génétique et le déclin des populations. Synthèse : Mise en évidence des impacts anthropiques sur les écosystèmes et mécanismes d’action

Activité 2 Les relations entre l’espèce humaine et son environnement • Durée estimée : 40 minutes

• Objectif  : Décrire les relations que l’espèce humaine entretient avec son environnement afin de comprendre si les impacts des activités humaines sur les écosystèmes imposent un changement d’éthique. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Expliquer le processus de production de résultats. Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié.

Adopter un comportement éthique et responsable

Prendre conscience que l’humanité est un élément parmi d’autres des écosystèmes. Exercer un regard critique sur la production de connaissances.

Exploitation des documents Il s’agit de démontrer que l’espèce humaine est un élément des écosystèmes en interaction avec d’autres espèces, et que, par voie de conséquence, elle pâtit des impacts de ces activités. Cette prise de conscience suggère d’abandonner l’éthique anthropocentrée au profit d’une éthique écocentrée des relations Humanité/Biosphère. Doc. 1 : ce document de synthèse permet de resituer l’espèce humaine au cœur des écosystèmes, en interaction multiple avec de nombreuses espèces. Il pourrait permettre de compléter un réseau d’interaction construit au préalable pour un écosystème (cf. chapitre 10). Doc.  2  : sans le démontrer proprement (puisque les données manquent), ce document suggère la baisse de production agricole attendue à la suite du déclin des populations de pollinisateurs. C’est aussi l’occasion de rappeler l’importance des méta-analyses, mais aussi d’exercer un regard critique. Les élèves doivent comprendre qu’une étude ne suffit pas pour démontrer un impact ou l’absence d’impact, car les biais sont trop nombreux si l’expérience n’est pas suffisamment répliquée, si les conditions sont trop différentes (espèces, climats) et surtout s’il y a conflit d’intérêt (ex : l’étude de Cutler et al. publiée en 2014 dans Peer J. a été financée par l’entreprise Bayer). Seules les méta-analyses (ici Winfree et al. 2009, Ecology) tiennent compte des biais pour connaître la certitude avec lequel on peut affirmer ou infirmer un impact. Doc.  3  : un document similaire au document  5, p. 257, où il faut insister sur la démarche de modé-

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Chapitre 12 : L’humanité et les écosystèmes : les services écosystémiques et leur gestion

lisation, sachant les scénarios de réchauffement climatique et les préférences écologiques du vecteur. D’autres cartes sont disponibles sur www.eea.europa.eu/data-and-maps/indicators/ vector-borne-diseases-2/assessment Doc. 4 : un document important pour intégrer les questions éthiques à la gestion des écosystèmes. Corrigés du guide de travail • Il s’agit d’étudier en détail le document  2 pour faire le lien entre l’effet des pesticides sur les pollinisateurs et la production agricole. L’élève commence par constater le déclin des colonies d’abeilles en Europe et en Amérique du Nord (~  1  % par an depuis l’après-guerre). Il explique ensuite ce déclin principalement par la conversion des prairies naturelles et agricoles extensives, et moins certainement par les pesticides et le labour. Enfin, il relie l’activité et la valeur des pollinisateurs dans la production agricole pour conclure qu’un déclin massif des pollinisateurs aurait des conséquences dramatiques sur la production agricole mondiale. • Il s’agit d’étudier en détail le document  3 pour faire le lien entre le réchauffement climatique et l’augmentation de la prévalence des maladies vectorielles tropicales. L’élève doit savoir que certains agents pathogènes sont transmis par des animaux vecteurs comme le moustique tigre (acquis de seconde ou de cycle 4). Il comprend du texte que le moustique tigre, vecteur du virus responsable du chikungunya, colonise progressivement l’Europe à mesure que le réchauffement du climat étend la distribution de ses préférences écologiques. Enfin, il conclut de la modélisation de l’expansion du virus que la dégradation des écosystèmes par les activités humaines, ici via le réchauffement climatique, va renforcer certaines maladies et poser des problèmes graves de santé publique. Synthèse : Depuis Aristote, l’éthique dominante conditionnant l’action des sociétés occidentales sur l’environnement était l’anthropocentrisme. Considérant l’être humain extérieur, mais dominateur de la Nature, cette éthique justifiait l’exploitation intensive des ressources naturelles mais oblitérait totalement la réalité des interactions existantes en chaque personne et les espèces qui l’entourent (doc. 1). Par exemple, la production agricole dépend d’espèces qui favorisent la production des plantes cultivées, comme les pollinisateurs (doc.  2). Ou encore, la santé humaine dépend en partie de la circulation

des agents pathogènes dans l’environnement (doc.  3). Or, les activités humaines détruisent ou dégradent les écosystèmes et leur composante, les bénéfiques à notre espèce, comme les moins utiles. C’est pourquoi de nombreux arguments suggèrent que l’humanité va pâtir indirectement de ses activités, soit par une diminution de la production de nourriture (doc. 2), soit par la recrudescence de certaines maladies (doc. 3). Une éthique écocentrée, resituant l’humanité comme élément parmi d’autre des écosystèmes, et en interaction multiple avec ceux-ci, paraît aujourd’hui nécessaire pour prendre conscience et gérer durablement nos impacts sur les écosystèmes et donc sur nos conditions de vie (doc. 4).

Activité 3 Une diversité de services écosystémiques : la forêt de Bouconne • Durée estimée : 3 heures (en condition réelle) • Consigne : À partir des données recueillies par les groupes d’élèves, présenter une argumentation pour convaincre des services rendus par les écosystèmes et la nécessité d’une compensation. • Compétences Compétences

Capacités associées

Concevoir, créer, réaliser

Mettre en œuvre un protocole. Construire un tableau, un graphique…

Pratiquer des démarches scientifiques

Organiser un protocole de récolte de données. Analyser les données récoltées.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié.

Adopter un comportement éthique et responsable

Se répartir le travail et apprendre à travail en groupe.

Exploitation possible des documents avec vos élèves –– Choisir un parc ou une forêt à proximité du lycée. Y laisser les élèves en autonomie avec constitution des groupes, rappel des consignes de sécurité et explication des données à récolter (doc. 1). –– Appliquer le protocole présenté en activité 1 du chapitre 11 (p.  236-237) pour estimer la biomasse de bois d’une forêt avant de comparer aux données du document 2. –– Préparer en amont le questionnaire à destination des visiteurs de la forêt (doc. 3). –– Récupérer en amont un dispositif de mesure EXAO Arduino avec capteur de CO2, réalisé dans le cadre d’un autre projet de l’établissement 125

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(doc. 4). Tester en amont le protocole de mesure de la fixation de CO2 pour en adapter le dispositif sur le terrain (types de plantules, durée, renouvellement de l’air et de l’eau…). D’autres mesures peuvent être envisagées en forêt (température, humidité… en forêt vs au lycée). –– Mettre en forme les données récoltées de retour au lycée sous formes de tableaux et de graphiques. –– Analyser les résultats, les discuter puis classer les services étudiés en trois catégories : les services d’approvisionnement, de régulation et de culture. Connaissances utiles –– La photosynthèse consiste en la fixation du carbone atmosphérique dans les molécules organiques des plantes. –– L’organisation et le fonctionnement des écosystèmes ont un effet sur le biotope. –– Les écosystèmes fournissent des services d’approvisionnement, de régulation et de culture. Propositions de mise en œuvre Travail en 3 groupes de 5-6 élèves (recommandé si classe dédoublée) : –– le groupe 1 mesure la biomasse ; –– le groupe 2 interroge les visiteurs ; –– le groupe 3 étudie une fonction écologique (fixation de CO2…).

Activité 4 Vers une gestion scientifique et durable des écosystèmes • Durée estimée : 1 heure • Consigne : Vous êtes l’agent chargé de la gestion scientifique et durable du vautour percnoptère en France. Rédiger un rapport qui présente les enjeux de la gestion du percnoptère ainsi que l’évaluation des actions menées. Proposer des perspectives d’amélioration. • Compétences Compétences Pratiquer des démarches scientifiques

Capacités associées Expliquer le processus de production de résultats (échantillonnage, méta-analyse, modélisation…). Interpréter des résultats et en tirer des conclusions. Synthétiser différents résultats issus d’une même démarche. 3

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié.

Adopter un comportement éthique et responsable

Proposer des solutions face à un problème en suivant une démarche scientifique de résolution.

Exploitation possible des documents avec vos élèves –– La première étape consiste à saisir les données du problème (doc. 1) : acteurs (éleveurs, gestionnaires, élus, naturalistes, chasseurs, escaladeurs, équarrisseurs…), contraintes (zones peu accessibles, divergence d’intérêt entre acteurs…) et objectifs à atteindre (croissance des populations, coût moindre pour éleveur, pas de contamination bactérienne…). –– L’étape suivante utilise les revues systématiques synthétisant les connaissances acquises dans des contextes similaires (doc. 2). Ici, le site www.conservationevidence.com permet d’identifier les stratégies de gestion qui ont montré les meilleurs résultats (par exemple  : 12 études ont montré que l’apport de carcasses au niveau de placettes d’alimentation favorisait la reproduction des vautours). –– Une fois l’action de gestion choisie (les placettes d’alimentation), un protocole d’évaluation des bénéfices de cette action doit être mis en place, ici, un suivi de capture-baguage-réobservation (doc. 3). –– Enfin, après plusieurs années de recul, l’analyse des données obtenues permet de valider ou non les bénéfices de l’action afin de proposer sa poursuite, son amélioration ou son remplacement par de meilleure stratégie alternative (doc. 4). Ici, les placettes d’alimentation ont permis l’augmentation des taux de survie des jeunes comme des adultes, et finalement, la croissance de la population depuis 2000. Connaissances utiles –– En se nourrissant de carcasses de grands mammifères, dont le bétail, les vautours assurent un service écosystémique d’équarrissage qui limite la propagation de maladies infectieuses et favorise le recyclage de la matière organique. –– Les protocoles de capture-marquage-recapture permettent d’estimer les taux de survie des populations en tenant compte des difficultés de détection des individus marqués. –– Une population ne peut croître que si les taux de survie des individus sont suffisants pour leur permettre de se reproduire.

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Chapitre 12 : L’humanité et les écosystèmes : les services écosystémiques et leur gestion

Propositions de mise en œuvre →→ Ici encore, un travail de groupe est envisageable pour accélérer la compréhension des documents et la production d’un rapport (4 groupes de 3-4 personnes par demi-classe). →→ Une restitution orale peut être envisagée sous forme d’une réunion de travail des acteurs de la gestion, où chaque élève ou binôme d’élève représente un acteur différent (éleveur, élu, chasseur, naturaliste, habitant, gestionnaire…). →→ L’important serait que les élèves puissent appliquer cette démarche dans d’autres contextes après avoir utilisé cet exemple. Une démarche de projet peut être envisagée, où plusieurs groupes d’élèves choisissent un problème de gestion différent (ex : bilan carbone du lycée, gestion de la fauche, des déchets…), procèdent à des recherches documentaires, mettent en place théoriquement ou réellement une action, en évaluent les bénéfices avant de présenter leur travail devant la classe, à la manière d’un grand oral.

S’entraîner

ingénieurs et techniciens de la recherche académique, les connaissances actuelles sur le fonctionnement des écosystèmes et leur dégradation par les activités humaines n’auraient pas été obtenues. De plus, une gestion durable n’est possible que si elle est éclairée de connaissances scientifiquement validées et modulée suivant les résultats d’une évaluation rigoureuse des actions menées.

8. Repérer du vocabulaire scientifique lors d’une recherche documentaire Mots clés du chapitre : écosystèmes, biodiversité, services écosystémiques. Mots à définir : intermittente, épuration, anthropisées, remblayées.

9. Traduire un texte en schéma Services écosystémiques d’une forêt en zone urbanisée

p. 269-271

6. Expliquer des concepts pour mieux comprendre D’un point de vue méthodologique, Kenza s’adressant à son grand-père, l’élève doit faire preuve d’une grande clarté en expliquant le plus simplement les notions abordées, en définissant tous les termes nécessaires, et en évitant les implicites. D’un point de vue notionnel, l’élève doit présenter l’espèce humaine comme un élément des écosystèmes parmi d’autres, bénéficiant d’interactions positives avec d’autres espèces, et bénéficiant de nombreux services apportés par les écosystèmes. En conséquence, les impacts affectant les écosystèmes affectent en retour les conditions de vie humaine. Donc, « s’occuper des petites bêtes » par un bon usage rationnel et durable des écosystèmes, c’est aussi limiter « la misère humaine ».

7. Se positionner de manière argumentée sur un sujet de société Les écosystèmes étant des systèmes complexes, l’acquisition de connaissances à leur sujet et l’évaluation de leur gestion nécessitent une méthodologie, des outils, des connaissances et des compétences scientifiques. Sans le travail des chercheurs,

10. L’occupation de l’espace provençal Schéma d’interprétation de l’utilisation de l’espace autour de la ville de Géménos (13)

On constate qu’un quart seulement de l’aire étudiée peut être considéré comme naturelle (même si autrefois exploitée pour l’élevage). La majorité des écosystèmes ont donc été convertis en système de moindre diversité (quasi nulle pour les espaces industrielles et urbains). On pourrait attendre une quantification de ces surfaces avec Mesurim. 127

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Livre du professeur – SVT 1re

Estimation des effectifs d’aigles de Bonelli de 2003 à 2016 après la réduction des menaces d’électrocution

11. Évaluer la conservation de l’aigle de Bonelli L’estimation des probabilités de survie par capture-baguage-observation d’aigles de Bonelli permet d’évaluer les bénéfices de la stratégie d’isolation des lignes électriques. On constate que les effectifs d’adultes comme de jeunes aigles ont augmenté depuis 2006 passant de 40 à 60 aigles en 2016. Cette stratégie peut donc être poursuivie puisqu’elle améliore effectivement les taux de survie des aigles. — Voir le schéma en haut de page. —

ture. Cela réduit l’épaisseur des coquilles, limite le succès de la reproduction et donc fait chuter par 8 les effectifs de faucons. À partir de 1975, le DDT est interdit dans de nombreux pays. La teneur en DDT dans les coquilles diminue au fil des ans, les coquilles retrouvent leur épaisseur initiale et la dynamique des effectifs est croissante. — Voir le schéma en bas de page. —

13. A successful management of an invasive species

12. Déclin et rétablissement du faucon pèlerin

L’éradication en Écosse du vison d’Amérique, une espèce invasive prédatant des espèces protégées au détriment du vison d’Europe, est un exemple rare de succès de gestion à l’échelle d’un pays entier.

Entre 1945 et 1975, la teneur en DDT dans les coquilles des faucons est multipliée par 6 à cause de l’utilisation massive de ce pesticide en agricul-

Le document 1 montre que ce succès a été permis pour moitié par l’investissement de volontaires bénévoles. De plus, le document 2 montre que tous

Variation des effectifs de faucons pèlerins d’Amérique du Nord entre 1935 et 1991 selon la présence de DDT dans leur coquille et l’épaisseur de celle-ci

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Chapitre 12 : L’humanité et les écosystèmes : les services écosystémiques et leur gestion

les acteurs locaux se sont impliqués dans le même sens (chasseurs, pécheurs, propriétaires et habitants), ce qui est extrêmement rare dans les situations de gestion des écosystèmes.

L’implication de tous les acteurs, organisés par des chercheurs ou des gestionnaires, est donc un paramètre clé d’une gestion réussie.

Vers le bac

p. 272-274

14. Compréhension et gestion des services écosystémiques Problématique Comment le fonctionnement des écosystèmes peut garantir durablement les activités et la santé humaine et proposer des pistes de gestion de ces services ? Conseils Se focaliser sur les 3 types de services écosystémiques sans perdre du temps sur la description des impacts. Bien démontrer ces services, directement avec les méthodes d’étude en écologie, ou indirectement par l’étude des impacts affectant ces services. Expliquer comment on peut exploiter ces services durablement (sans les détériorer). Choisir un exemple précis par type de service et construire un plan par type d’exemple avec son étude, l’explication du mécanisme puis les stratégies de gestion du service. Remarque : on proposera 2 exemples au choix par service. I. Les services d’approvisionnements Ex 1 : Pêche au thon

Ex 2 : Forêt équatoriale

Comparer les bénéfices sur 50 ans d’une pêche intensive et d’une pêche limitée favorisant le renouvellement des stocks de poissons.

Comparer sur le long terme les apports d’une coupe rase de forêt avec l’exploitation diversifiée et modérée par des peuples autochtones (bois, fruits, gibiers …).

La reproduction des thons et leur croissance par prédation de petits poissons assurent le renouvellement des stocks d’adultes pouvant être pêchés.

Le maintien d’une couverture forestière favorise la présence des autres espèces exploitées par relations positives (mutualisme, commensalisme…) dans ce biotope modifié.

L’étude de la dynamique des populations à partir de la pyramide des âges des thons péchés montre qu’il faut limiter la taille minimale autorisée car les thons attendent plusieurs années avant de se reproduire.

L’étude de la dynamique forestière détermine la quantité d’arbres qui peut être prélevée et leur répartition spatiale sans affecter la production des autres ressources utiles.

II. Les services de régulation Ex 1 : Les lombrics

Ex 2 : La fixation du CO2

L’étude de l’aération du sol, de l’infiltration d’eau et l’apport en matière organique en fonction du nombre de lombrics montre leur rôle crucial dans la fertilité d’un sol.

L’étude de la photosynthèse en TP ou à l’échelle d’une forêt montre un bilan en faveur d’un stockage de CO2 dans la biomasse végétale qui n’est pas décomposée.

La production agricole dépend de la fertilité d’un sol en matière organique, eau et air. Elle dépend donc du travail des lombrics qui participent au maintien de cette fertilité.

La photosynthèse limite donc le réchauffement du climat, responsable de nombreux dégâts sur la santé humaine (ex : maladies tropicales) et ces activités (ex : production agricole).

Comparer la production agricole et l’abondance de vers de terre entre des parcelles avec/sans labour ou pesticides.

Comparer le bilan carbone de différents modes de sylviculture et d’agriculture et en tenir compte dans les choix de gestion.

III. Les services culturels Ex 1 : Parcs urbains

Ex 2 : Zoo et biodiversité

Enquêter sur le bien-être et la perception de la qualité de vie des habitants de villes riches et pauvres en parc/jardin.

Quantifier la fréquentation et le chiffre d’affaire d’un zoo et estimer ces effets sur le dynamisme économique régional.

Le calme, la fraicheur, la possibilité d’activité de plein air … sont différents critères favorisant le bien-être des urbains.

La diversité biologique et la rencontre avec d’autres espèces vivantes est une source de culture et de divertissement.

Convertir des friches urbaines ou des parkings en parc ou jardins et évaluer les effets sur la population (santé physique et mentale).

Évaluer les bénéfices des parcs zoologiques sur la préservation de la biodiversité comme sur l’éducation des visiteurs.

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Livre du professeur – SVT 1re

15. La monétarisation des services écosystémiques Arguments pour la monétarisation

Arguments contre la monétarisation

Valorise certaines régions riches de leur capital naturel et plus sinistrées industriellement.

Les techniques de compensation ne restaurent pas les écosystèmes détruits.

Représente une source de financement importante pour la conservation des espèces et des espaces.

Sous-estime fortement et globalement les bénéfices multiples et indirects des services écosystémiques

Homogénéise et les échanges et accords multinationaux avec une logique de monnaie d’échange et de prix.

N’a pas amélioré l’efficacité de la conservation des espaces et des espèces depuis sa mise en place.

Les efforts de gestion ont échoué à limiter l’impact des activités humaines sur les écosystèmes.

Les écosystèmes ont une valeur intrinsèque qui ne peut ou ne devrait pas être instrumentalisée.

Permet d’intéresser et de sensibiliser les acteurs du monde économiques aux enjeux environnementaux.

Ne tient pas compte de la complexité des réseaux écologiques et des réactions en cascade.

Valorise et rentabilise les industries, services et exploitations qui limitent leurs impacts environnementaux.

Dépend des notions acquises : des services importants, mais mal connus ne sont pas pris en compte.

Facilite la prise de décision, pour un meilleur rapport entre bénéfices présents et bénéfices futurs.

Repose sur des méthodes d’évaluation biaisées avec nombreux présupposés (valeur culturelle estimée par le coût du transport).

16. Urbanisme et conversion des écosystèmes Faut-il stopper l’artificialisation des terres à Bussy-Saint-Georges pour répondre à l’objectif de maintien des services écosystémiques nécessaires à la qualité de vie des habitants ?

Protocole • Ouvrir les images satellites avec Mesurim. • Indiquer une échelle de mesure à l’aide celle indiquée sur la page du livre. • Utiliser l’onglet «  mesure de surface  » pour quantifier la surface artificialisée de chaque image (industries, logements, routes…). Ou délimiter à la main les contours des zones urbaines et industrielles et extraire les mesures de ces surfaces. • Mesurer la vitesse d’expansion par la différence de surface artificialisée, divisée par l’intervalle de temps entre les deux images. Attentes La surface des terres artificialisées devrait avoir fortement augmenté en 15  ans pour répondre à l’expansion démographie de la région et à l’implantation d’entreprises.

17. Différentes méthodes de gestion forestière 1) GF1

Sylviculture monospécifique de résineux de même âge. Coupe rase en fin de croissance.

GF2

Sylviculture monospécifique de résineux d’âge différents à régénération naturelle. Sélection des arbres en fin de croissance.

GF3

Sylviculture mixte résineux/feuillus d’âges différents à régénération naturelle. Sélection des arbres en fin de croissance.

GF4

Aucune gestion. Aucune coupe.

2) Gestion

GF1

GF2

GF3

GF4

Récolte Pinus

10

9

9

0

Valeur Pinus

500

450

450

0

Récolte Quercus

0,25

0,25

0,5

0

Valeur Quercus

37,5

37,5

75

0

Objectif

Récolte Fagus

0

0

1

0

L’objectif est de mesurer la vitesse d’artificialisation des écosystèmes d’une commune de région parisienne en expansion. Des images aériennes de la commune séparées de 15 ans seront comparées à l’aide d’un logiciel d’analyse d’image.

Valeur Fagus

0

0

30

0

Fixation Carbone

0,6

1,6

0,8

2,5

Valeur Carbone

24

64

32

100

561,5

551,5

587

100

Matériel • Logiciel Mesurim ; • Images satellites Bussy-Saint-Georges en 2002 et 2018 (Images Google Earth).

Total

Les récoltes sont en m3 · ha–1 · an–1. Les valeurs sont en euros · ha–1 · an–1. La fixation de carbone est en tC · ha–1 · an–1. 3) La gestion forestière a plus haute valeur économique est la GF3 car elle apporte des essences à

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Chapitre 12 : L’humanité et les écosystèmes : les services écosystémiques et leur gestion

plus forte valeur ajoutée et que la fixation de carbone est meilleure que GFA. Néanmoins, il faudrait tenir compte du coût de la gestion qui est peut-être plus élevé pour GF3 que pour GF1. Pour autant, la qualité esthétique et la biodiversité étant plus élevée en GF3 qu’en GF1, elles apportent donc une valeur supplémentaire, notamment pour l’attrait touristique, pouvant compenser voire dépasser les surcoûts de gestion.

Parcours d’orientation

p. 275

Métier : À la recherche de pratiques agricoles durables • Dans les études réalisées dans plusieurs pays d’Europe, il apparaît clairement que l’abondance de lombrics est entre 0,5 et 10 fois plus élevée si des bandes enherbées sont conservées aux abords des parcelles. Après, le choix entre le semis ou la régénération naturelle de ces bandes enherbées a une influence trop variable sur l’abondance de lombrics pour être interprété. Le choix se fera donc selon le coût de la gestion (moindre en cas de prairie naturelle) ou selon les critères des subventions accordées. • Problème Le maintien de bandes enherbées aux abords des parcelles améliore-t-il les services environnementaux des parcelles tout en améliorant les bénéfices pour l’exploitant ? Objectif Évaluer si le maintien de bandes enherbées améliore effectivement l’abondance des lombrics tout en vérifiant qu’elle ne diminue pas les revenus de l’exploitant. Protocole • Mesurer l’abondance de lombrics (cf. p. 256) sur plusieurs zones d’échantillonnage avant la mise en place de bandes enherbées. Connaître aussi la production agricole, les coûts et les revenus de l’exploitant. • Poursuivre le protocole d’échantillonnage des lombrics sur plusieurs années (~ 5 ans) après le maintien de bandes enherbées. • Faire de même avec la production agricole, les coûts de gestion et les revenus de l’exploitant tenant compte des subventions obtenues pour paiement de services environnementaux.

• Une mesure des concentrations en nitrates aux abords des parcelles ou dans la nappe sousjacente pourrait être envisagée, de même qu’une estimation de la fixation de carbone par les bandes enherbées. Attentes La présence de bandes enherbées devrait augmenter l’abondance de lombrics aux abords des parcelles. Si les bénéfices sur la production agricole étaient moindres (voire négatifs du fait de la surface non exploitée), une augmentation des revenus serait attendue du fait de la légère baisse des coûts de gestion (surface moindre à gérer) et surtout d’un apport supplémentaire de revenus pour paiements de services environnementaux. Ces bénéfices sont néanmoins tributaires des choix en matière de politiques agricoles. Remarque Des compétences et une démarche similaire sont attendues des gestionnaires d’espèces ou d’espaces naturels. Embauchés par les directions régionales de l’environnement ou par les Parcs et Réserves naturelles, ces agents ont pour objectif d’améliorer la gestion et la connaissance du système qu’ils ont à gérer. Ils doivent mettre en place et évaluer des plans de gestion sur le long terme en mettant en place des protocoles de suivis. Des formations professionnalisantes de niveau Master existent dans plusieurs universités, mais la demande reste encore supérieure à l’offre d’emploi.

Actualité scientifique : Une approche intégrée de la santé humaine, animale et environnementale L’initiative «  One Health  » est une application directe du changement d’éthique et de pratique imposé par la prise en compte des relations multiples entre l’espèce humaine et son environnement. L’élève devra réinvestir ces connaissances autour des interactions interspécifiques dans les écosystèmes, de la place de notre espèce dans ces réseaux d’interactions, de la gestion scientifique des problèmes conditionnés par la complexité des écosystèmes. Il s’agit d’un exemple d’exercice de synthèse de connaissances accompagné d’un document d’appel, qui pourrait être proposé dans une épreuve écrite.

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CHAPITRE 13  Mutations et santé

Manuel p. 278-307

I. Introduction Programme Connaissances Mutations et santé Certaines mutations, héritées ou nouvellement produites, sont responsables de pathologies parce qu’elles affectent l’expression de certains gènes ou altèrent leurs produits. Activités 1, 2 et 3 L’examen des arbres généalogiques familiaux permet de connaître les modes de transmission héréditaire des déterminants génétiques responsables. L’étude des génomes de grandes cohortes de patients est à la base de l’identification des gènes correspondants. Activités 1 et 2 Dans le cas d’une maladie monogénique à transmission autosomique récessive, seuls les homozygotes pour l’allèle muté sont atteints. Les hétérozygotes sont des porteurs sains. Activité 2 Selon les cas, les traitements apportés visent à compenser par des médicaments la fonction altérée ou à contrôler les conditions de milieu. Dans certains cas, on peut envisager une thérapie génique visant à remplacer l’allèle muté dans les cellules du tissu atteint. Activité 4 Variation génétique bactérienne et résistance aux antibiotiques Parmi les mutations spontanées ou induites qui se produisent aléatoirement dans les populations de bactéries, certaines confèrent des résistances aux antibiotiques. Activité 5 L’application d’un antibiotique sur une population bactérienne sélectionne les mutants résistants à cet antibiotique, d’autant plus qu’il élimine les bactéries compétitrices sensibles et permet donc leur développement numérique. L’utilisation systématique de traitements antibiotiques en santé humaine comme en usage agronomique ou vétérinaire conduit à augmenter la fréquence des formes résistantes dans les populations naturelles de bactéries et aboutit à des formes simultanément résistantes à plusieurs antibiotiques. Cela constitue un important problème de santé publique car le nombre de familles d’antibiotiques disponibles est limité. De nouvelles pratiques plus responsables des antibiotiques disponibles doivent donc être recherchées. Activité 6 Notions fondamentales Risque génétique, thérapie génique. Objectifs Les élèves comprennent les causes, le mode de transmission, les effets phénotypiques et les traitements possibles d’une maladie génétique monogénique. Un cas pratique de sélection naturelle dans des populations bactériennes est ici illustré et ses incidences en termes de santé publique, dégagées. Capacités Mutations et santé →→ Recenser, extraire et organiser des informations pour : –– établir l’origine génétique d’une maladie ou d’un syndrome à partir d’arbres généalogiques. Activités 1 et 2 –– prédire les risques génétiques des nouvelles générations en calculant leur probabilité (conseil génétique). Activité 2 →→ Recenser, extraire et organiser des informations relatives à une maladie génétique monogénique suffisamment fréquente pour que l’on puisse disposer d’un catalogue d’allèles permettant de relier un génotype au phénotype. La mucoviscidose est suggérée en raison de la diversité des allèles mutés 132

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Chapitre 13 : Mutations et santé

dans la population, mais le professeur pourra préférer d’autres exemples (drépanocytose, b-thalassémie, myopathie de Duchenne, etc.). Activité 3 →→ Recenser, extraire et organiser des informations relatives aux traitements médicaux envisageables en fonction de la variété des manifestations pathologiques observées (tissus affectés, âge moyen d’apparition des symptômes, sévérité du syndrome, etc.). Activité 4 Variation génétique bactérienne et résistance aux antibiotiques →→ Étudier un protocole expérimental permettant de montrer la sensibilité ou la résistance de microorganismes à différents antibiotiques. Activité 5 →→ Concevoir et mettre en place un protocole expérimental pour étudier l’apparition de mutants résistants à un antibiotique à partir d’une culture de bactéries sensibles, dans les conditions de sécurité attendues. Activité 6 →→ Recenser, extraire et organiser des informations pour : Activités 5 et 6 –– identifier la sensibilité ou la résistance de microorganismes à différents antibiotiques ; –– calculer le taux d’apparition de résistances dans une population ; –– analyser des bases de données sur la résistance aux antibiotiques en France et en Europe (type, incidence dans les populations, relations avec les pratiques de santé et d’élevage, etc.). →→ Identifier, sur un exemple, l’intérêt de l’application du raisonnement évolutionniste en matière médicale (prendre en compte l’avantage compétitif des résistants). Précisions Aucune connaissance spécifique concernant une maladie génétique précise n’est attendue mais un élève doit pouvoir conduire une étude à partir des documents fournis (en se limitant au cas de maladies autosomales monogéniques). La connaissance des mécanismes moléculaires de la résistance aux antibiotiques n’est pas attendue.

Commentaires pédagogiques L’idée est de faire prendre conscience aux élèves qu’une mutation peut avoir des conséquences importantes telles que, par exemple, l’apparition d’une pathologie ou d’une résistance pour les bactéries ; soit en empêchant l’expression de certains gènes ou en produisant des protéines inefficaces ou encore en attribuant à des bactéries une résistance à un antibiotique. Des études d’arbres généalogiques permettent de mettre en évidence l’origine génétique et le mode de transmission de la pathologie : dominante ou récessive, liée ou non au sexe. L’établissement des modes de transmission permet d’asseoir les notions d’homozygote et d’hétérozygote. Les techniques d’analyse génétique permettent d’identifier les gènes responsables des pathologies et les études des génomes de cohorte de patients permettent d’identifier les différents allèles pouvant engendrer une même pathologie. Les activités 1 et 2 permettent de mettre en évidence que c’est par l’analyse des arbres généalogiques et des connaissances établies sur l’étude de cohorte que l’on peut établir le risque génétique de transmission d’une pathologie à une descendance. Ce risque est fonction des antécédents familiaux mais aussi de la prévalence de certaines maladies en fonction de l’origine des parents. L’étude des phénotypes et leurs liens établis avec le génotype de l’individu atteint permet de mettre en place des traitements allant des soins des symptômes à des thérapies agissant sur l’origine génétique de la pathologie : la thérapie génique. Enfin les activités 5 et 6 permettent de sensibiliser les élèves aux comportements individuels et collectifs qui permettent de lutter contre la résistance bactérienne en adoptant des comportements responsables et adéquats dans l’utilisation des antibiotiques aussi bien chez l’être humain que chez les animaux.

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BIBLIOGRAPHIE ◗◗ Ouvrages de référence -- Jack Pasternak, Génétique moléculaire humaine : une introduction aux mécanismes des maladies héréditaires, De Boeck, 2003. -- Andrew Read, Dian Donnai, Génétique médicale : de la biologie à la pratique clinique, De Boeck supérieur, 2008. -- CRISPR-Cas9, l’enzyme qui révolutionne la génétique, Pour la Science no 456, octobre 2015. -- Résistance aux antibiotiques : face à l’émergence des super-bactéries, la riposte des chercheurs, La Recherche no 515, septembre 2016.

◗◗ Sites internet -- Vaincre la mucoviscidose : https://www.vaincrelamuco.org/ -- De nouvelles stratégies contre la mucoviscidose, dossier du CNRS : https://lejournal.cnrs.fr/articles/de-nouvelles-strategies-contre-la-mucoviscidose -- Dossier de l’Inserm sur la thérapie génique : https://www.inserm.fr/information-en-sante/dossiers-information/therapie-genique -- Dossier de l’Inserm sur la résistance aux antibiotiques : https://www.inserm.fr/information-en-sante/dossiers-information/resistance-antibiotiques -- L’antibiorésistance : pourquoi est-ce si grave ? : https://solidarites-sante.gouv.fr/preventionen‑sante/les-antibiotiques-des-medicaments-essentiels-a-preserver/des-antibiotiquesa‑l‑antibioresistance/article/l-antibioresistance-pourquoi-est-ce-si-grave

II. Corrigés Activités

p. 280-291

Activité 1 La mucoviscidose, une maladie génétique très fréquente • Durée estimée : 30 minutes • Consigne  : Expliquer la transmission de la mucoviscidose et argumenter son origine génétique. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : écrit ou oral.

Pratiquer des langages

Utiliser des logiciels de traitement de données.

Exploitation possible des documents avec vos élèves –– Utiliser les définitions du vocabulaire pour comprendre les documents. –– Étudier l’arbre généalogique pour montrer que la maladie est génétique (doc. 1).

–– Étudier l’arbre généalogique pour montrer que le mode de transmission de l’allèle est autosomique et récessive (doc. 1). –– Rechercher les différents arguments permettant de mettre en évidence l’origine génétique de la mucoviscidose en étant de plus en plus précis (docs. 2 à 4). –– Répondre à la consigne grâce à l’exemple des informations extraites des documents. Connaissances utiles –– La notion de gène/allèle. –– La transmission d’un allèle pour un gène donné par chacun des parents. –– Les différents types de mutations  : délétion et substitution. Propositions de mise en œuvre →→ Possibilité de faire un travail en groupe de 4 élèves : –– chaque élève étudie un des documents ; –– chaque élève présente son document (dans l’ordre), à l’oral, aux autres membres du groupe qui prennent des notes sur ce qui est en rapport avec la consigne ; –– les membres du groupe mettent en commun leurs notes pour répondre à la consigne. →→ Possibilité de travailler seul puis de mettre en commun avec son binôme.

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Chapitre 13 : Mutations et santé

→→ Possibilité de proposer à différents groupes une étude sur d’autres maladies à mode de transmission autosomique récessive afin de montrer que la mise en évidence de l’origine génétique et du mode de transmission d’une pathologie se fait toujours avec le même type de recherche (familiale, recherche du gène puis du ou des allèles). Réponse à la consigne : Le document  1 nous apprend que le mode de transmission de l’allèle responsable de la mucoviscidose est autosomique et récessif, ce qui doit être justifié grâce à l’étude de l’arbre généalogique. Sur l’arbre généalogique, on voit que les enfants atteints de cette maladie n’ont pas de parents malades. Or on sait que les allèles d’un même gène sont transmis pour l’un par la mère et pour l’autre par le père. Les parents sont donc hétérozygotes et ont transmis chacun à leur enfant malade leur allèle porteur de la maladie. Le mode de transmission est donc récessif. Les deux individus atteints dans la famille sont de sexe différent ce qui montre que le gène responsable de la mucoviscidose est situé sur un autosome, ce qui est confirmé par le document 2 qui nous indique que c’est le chromosome 7 qui porte le gène CFTR. Les documents 3 et 4 confirment l’origine génétique de cette maladie en présentant différents allèles du gène CFTR tous responsables de formes plus ou moins graves de mucoviscidose et en présentant les mutations à l’origine de deux de ces allèles (substitution et délétion).

Activité 2 Prédire un risque de maladie génétique • Durée estimée : 1 heure • Objectif : Prédire le risque génétique des générations suivantes d’être touchées par une maladie monogénique et comprendre le mécanisme du diagnostic prénatal. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : écrit ou oral. Conduire une recherche d’informations sur internet en lien avec une question scientifique et en utilisant des mots-clés pertinents.

Exploitation des documents L’étude du document  1 permet d’étudier l’arbre généalogique pour déterminer le génotype des parents du fœtus et ainsi déterminer son risque d’être atteint. Les documents 2 à 4 montrent le lien entre le risque génétique et la prévalence d’une maladie. Les documents 5 et 6 évoquent le diagnostic prénatal, réalisé de façon systématique pour la mucoviscidose depuis 2002. Corrigés du guide de travail • D’après le document 1, les parents du fœtus sont hétérozygotes car ils ont un enfant atteint de la mucoviscidose sans être eux-mêmes atteints. Ils ont donc 1 chance sur 2 de transmettre l’allèle malade à leur futur enfant. Le fœtus aura donc 1 chance sur 4 soit 25 % de risque d’être atteint de la mucoviscidose. Un tableau de croisement peut permettre à un élève de raisonner : Gamètes du père Gamètes de la mère

CFTR

CFTR–

CFTR

CFTR//CFTR [sain]

CFTR//CFTR– [sain]

CFTR–

CFTR//CFTR– [sain]

CFTR–//CFTR– [malade]

Pour un fœtus issu d’une famille sans antécédent familial, le risque est fonction de la prévalence de la maladie en tenant compte du fait que si les parents sont hétérozygotes l’enfant aura 1 chance sur 4 d’être malade. Le risque est donc beaucoup plus faible lorsque le fœtus n’a pas d’antécédents familiaux. • Le diagnostic prénatal est basé sur la recherche des allèles porteurs de mutations connues en se servant de sondes monocaténaires complémentaires des séquences mutées. Dans le cas de la mucoviscidose, les tests sont répétés avec différentes sondes car il existe de nombreux allèles connus du gène CFTR responsables du déclenchement de la mucoviscidose. Synthèse : Exemple  : si on se sert du document  2, dans la population occidentale un individu sans antécédent a 1 chance sur 25 d’être porteur sain. Pour qu’un enfant soit malade il doit recevoir de chacun de ses parents un allèle récessif porteur de la 135

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maladie, il faut donc que ses parents soient hétérozygotes et qu’ils lui transmettent l’allèle malade. Pfœtus malade = Ppère hétérozygote × Pmère hétérozygote × 1/4 Pfœtus malade = 1/25 × 1/25 × 1/4 Pfœtus malade = 1/2 500 Soit 0,04 % Ce risque varie en fonction de l’origine géographique des parents. En effet, d’après le document  4 on remarque que le risque est deux fois plus élevé si les parents sont d’origine bretonne que parisienne.

Activité 3 Du phénotype au génotype • Durée estimée : 1 heure • Objectif : Chercher l’origine des symptômes de la mucoviscidose et de la myopathie de Duchenne. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : tableau.

Exploitation des documents L’exploitation des documents 1, 2 et 3 sur la mucoviscidose est l’occasion de réinvestir les connaissances acquises sur le lien entre phénotype et génotype ainsi que sur l’expression des gènes. Le document  4 sur la myopathie de Duchenne montre un autre exemple de liaison entre génotype et phénotype et permet d’illustrer les conséquences d’une mutation sur les modalités d’expression d’un gène. Cette activité peut être travaillée en ateliers tournants. –– Atelier 1 : mise en relation des symptômes de la mucoviscidose et du phénotype cellulaire et moléculaire (15 min) ; –– Atelier 2 sur le logiciel ANAGENE : comparaison des séquences peptidiques des allèles mutés deltaF508 et R553X du gène CFTR (10 min) ; –– Atelier 3 : mise en relation des symptômes de la myopathie de Duchenne (15 min). Prévoir 20 minutes pour rassembler des informations dans un tableau comparatif à construire en commun.

Corrigés du guide de travail • La mucoviscidose se manifeste principalement par des symptômes liés à des problèmes respiratoires (toux, sifflement, expectorations) mais comme l’ensemble des muqueuses sont touchées d’autres symptômes liés à la fonction digestive peuvent aussi apparaître. Ces symptômes s’expliquent à l’échelle cellulaire par la fabrication d’un mucus épais et collant par les cellules épithéliales des bronches. Au niveau moléculaire, on observe un dysfonctionnement de la protéine canal CFTR qui ne libère plus d’ions Cl– à l’origine de la fluidification du mucus. La myopathie de Duchenne se manifeste au niveau macroscopique par une paralysie des muscles, notamment le muscle cardiaque. Cela est dû au niveau cellulaire à la mauvaise contraction des cellules musculaires suite à un dysfonctionnement moléculaire de la dystrophine qui est une protéine de soutien de la fibre musculaire. • Les mutations des gènes impliqués dans la mucoviscidose entraînent la fabrication d’une protéine tronquée (la mutation R553X entraîne l’arrêt de la traduction à l’acide aminé 553) ou la fabrication d’une protéine anormale (la mutation deltaF508 entraîne une délétion à l’origine d’un décalage du cadre de lecture à partir de l’acide aminé 508). La maturation de la protéine pourra alors mal se faire (mutation de classe II > cf. doc. 2 p. 286). Pour les mutations du gène impliqué dans la myopathie de Duchenne, on observe une anomalie lors de la transcription du gène DMD avec disparition de l’exon 50, et donc un arrêt de la traduction par l’apparition d’un codon STOP. Les mutations peuvent avoir différentes conséquences sur les étapes de transcription ou de traduction. Synthèse : Mucoviscidose

Myopathie de Duchenne

Phénotype macroscopique

Symptômes liés à des problèmes respiratoires

Paralysie des muscles

Phénotype cellulaire

Fabrication d’un mucus épais et collant par les cellules épithéliales des bronches

Mauvaise contraction des fibres musculaires

Phénotype moléculaire

Dysfonctionnement de la protéine canal CFTR

Dysfonctionnement de la dystrophine

Génotype

Mutation deltaF508 du gène CFTR

Mutation du gène DMD

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Chapitre 13 : Mutations et santé

Activité 4 Les avancées thérapeutiques sur les maladies génétiques • Durée estimée : 1 heure • Objectif  : Comprendre comment agissent les différents traitements pour combattre les symptômes des maladies génétiques. • Compétences Compétences Pratiquer des démarches scientifiques

Capacités associées Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

ment les personnes atteintes de la mutation G551D. On constate une nette augmentation du pourcentage d’amélioration du volume d’expiration par rapport aux patients traités par un placébo. • Les progrès de la thérapie génique permettent de supprimer une portion de gène contenant la mutation à l’origine de la mauvaise synthèse d’une protéine. Il ne s’agit plus de simplement ajouter des gènes mais d’effectuer une réparation moléculaire des gènes dans les cellules des organes impliqués dans la maladie. Synthèse :

Exploitation des documents Les avancées thérapeutiques sur les maladies génétiques ciblent de plus en plus des traitements personnalisés en fonction des mutations génétiques qui affectent les malades. L’exploitation des documents amène à comprendre que l’on est actuellement capable d’agir directement sur les étapes de synthèse des protéines altérées ou même de modifier l’information génétique des cellules des organes non fonctionnels. Pour approfondir sur les avancées en thérapie génique : https://www.inserm.fr/information-en-sante/ dossiers-information/therapie-genique Corrigés du guide de travail • Le document 1 aborde le phénotype macroscopique de la mucoviscidose avec le traitement de kinésithérapie pour faciliter la respiration ou l’utilisation d’aérosols d’antibiotiques pour limiter les risques d’infections pulmonaires. Les documents 2 et 3 montrent le traitement du phénotype cellulaire et moléculaire avec l’utilisation de médicaments (Ivacaftor-Lumacaftor) qui corrigent les étapes de biosynthèse de la protéine CFTR ou restaurent l’ouverture de la protéine canal CFTR. Les documents 4 et 5 expliquent comment il est possible de corriger des anomalies de génotype par la thérapie génique, soit en introduisant un gène sain dans les cellules atteintes grâce à un vecteur (virus), soit en supprimant un exon muté pour permettre une expression partielle du gène et donc de la protéine. • Les traitements de la mucoviscidose passent par une personnalisation de la médecine car on est capable de corriger spécifiquement le type de mutation à l’origine d’un problème dans la biosynthèse de la protéine. L’Ivacaftor traite spécifique-

Les thérapies mises en œuvre agissent : –– au niveau macroscopique pour atténuer directement les symptômes de la maladie génétique ; –– au niveau moléculaire pour améliorer la synthèse des protéines impliquées dans les symptômes de la maladie ; –– au niveau du génotype pour «  réparer  » les mutations des gènes impliqués dans les symptômes de la maladie.

Activité 5 La résistance bactérienne • Durée estimée  : 30  minutes pour l’étude des documents ; 1 heure pour la réalisation du protocole • Objectif  : Montrer les variations de sensibilité des bactéries aux antibiotiques ainsi que l’influence de notre consommation d’antibiotiques sur la résistance bactérienne. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : écrit ou oral.

Concevoir, créer, réaliser

Concevoir et mettre en œuvre un protocole.

Adopter un comportement éthique et responsable

Fonder ses choix de comportement responsable vis-à-vis de sa santé

Exploitation des documents Les résultats de l’antibiogramme du document 1 permettent de déterminer la sensibilité d’un type de bactéries à différents antibiotiques. Les documents 2 à 4 montrent le lien entre la résistance bactérienne et l’utilisation des antibiotiques. 137

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Livre du professeur – SVT 1re

Le document 5 permet de développer l’esprit critique des élèves face aux campagnes publicitaires. Corrigés du guide de travail • D’après le document 1, on observe sur l’antibiogramme que les plages de lyse n’ont pas la même taille autour des pastilles d’antibiotiques et que l’un d’eux, le D, ne semble pas efficace. Ces bactéries ne sont donc pas sensibles à la pénicilline. • Si on regarde le graphique du document  4, on remarque que la consommation d’antibiotiques a fortement diminué entre 2002 et 2004, en passant de 34,7 à 29,3 DDJ/1 000H/J. La campagne de 2002 semble avoir été très efficace contrairement à celle de 2010. En effet, on observe qu’à partir de 2010 la consommation d’antibiotiques augmente. Synthèse : En se servant des documents 2 et 3, on observe que le pourcentage de bactéries résistantes augmente fortement depuis 2008, moment où la consommation d’antibiotiques augmente à nouveau. Les antibiotiques n’agissent pas tous contre toutes les bactéries et ils n’agissent pas de façon visée. Un antibiotique va tuer les bactéries sensibles en sélectionnant ainsi les bactéries résistantes. Une utilisation raisonnée est donc nécessaire pour diminuer la quantité de bactéries résistantes.

Activité 6 La sélection des bactéries résistantes • Durée estimée : 1 heure • Objectif : Chercher les causes de la résistance bactérienne et l’influence de notre consommation d’antibiotiques sur la sélection de bactéries résistantes. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Pratiquer des langages

Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : écrit ou oral. Conduire une recherche d’informations sur internet en lien avec une question scientifique et en utilisant des mots-clés pertinents. Utiliser des logiciels de traitement de données.

Adopter un comportement éthique et responsable

Fonder ses choix de comportement responsable vis-à-vis de sa santé.

Exploitation des documents Les documents 1 et 4 permettent de comprendre le principe de la sélection des bactéries résistantes. Les documents 2 et 3 montrent l’origine de la résistance bactérienne. Le document 5 permet de faire réfléchir au mode de propagation de la résistance bactérienne et de proposer des solutions pour limiter cette propagation. Corrigés du guide de travail • Le document  2 propose deux interprétations possibles de l’apparition de mutants résistants à l’ampicilline. On observe l’emplacement constant des colonies résistantes ce qui indique que la résistante est préexistante et que les antibiotiques ne sont pas responsables de l’apparition de cette résistance. Cela est confirmé par le document  3 qui indique que la cause de cette résistance est une bêta-lactamase produite normalement par les bactéries mais qui dans le cas de bactéries résistantes détruit les antibiotiques. Ce changement d’activité de cette protéine est dû à une mutation ponctuelle provoquant une substitution de la Glycine par la Sérine. • Lors de la prise d’antibiotiques, les bactéries sensibles vont être détruites et la proportion de bactéries résistantes dans la population bactérienne globale va donc augmenter. Le document 4 montre qu’il existe une fenêtre de sélection des bactéries résistantes correspondant à une prise d’antibiotiques particulièrement dangereuse car très sélective pour les bactéries résistantes. La dose d’antibiotiques prise est donc à prendre en compte pour lutter contre la résistance bactérienne. • Le document  5 permet de proposer des solutions pour limiter la propagation de bactéries résistantes en agissant sur la transmission entre humains, entre les animaux et les humains et entre l’environnement et les animaux d’une part et l’être humain d’autre part. Synthèse : En se servant de l’ensemble des informations issues des documents, les élèves vont pouvoir choisir un mode de présentation permettant de montrer l’importance de consommer des antibiotiques de façon adaptée en avançant les effets et conséquences d’une consommation inadaptée.

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Chapitre 13 : Mutations et santé

S’entraîner

p. 299-300

8. Rétinite pigmentaire : mode de transmission d’une maladie L’arbre 1 avec un père malade et une mère saine : leurs enfants sont soit malades soit sains, aucun n’est hétérozygote. Il s’agit donc d’une transmission autosomique dominante dans laquelle un seul allèle porteur de la maladie suffit à ce que l’individu soit atteint et ce quel que soit son sexe. L’arbre 2 avec les deux parents hétérozygotes sains donc porteur d’un allèle sain et d’un allèle porteur de la mutation : la transmission est donc forcément autosomique récessive autrement les parents seraient malades et non hétérozygotes. L’arbre 3 : le père est malade et la mère est hétérozygote, donc le mode de transmission ne peut être que récessif puisque la mère est hétérozygote saine. La question se pose sur le fait que le gène soit porté par un autosome ou un chromosome sexuel. S’il s’agit d’un autosome, sachant que le père est malade il ne pourrait transmettre que l’allèle porteur de la mutation et leurs enfants seraient donc tous soit malade soit hétérozygotes sains en fonction de l’allèle transmis par la mère. Or on s’aperçoit qu’il y a un garçon sain parmi leurs enfants, le gène est donc porté par un chromosome sexuel qui ne peut être que le chromosome X car une fille est malade. La transmission dans ce cas est donc récessive et liée au sexe (chromosome X).

9. Lien génotype-phénotype Génotype : Gène PRX muté

Thérapie génique

Phénotype moléculaire : Protéine périaxine inefficace dans les cellules de Schwann

Phénotype cellulaire : Démyélinisation précoce et sévère des axones des nerfs périphériques car la myéline est instable

Phénotype cellulaire : Diminution de la conductance

Phénotvpe macroscopique : Diminution de la force musculaire Trouble de la sensibilité au niveau des membres = Neuropathie démyélinisante : perte de mobilité autour de 20 ans

10. Le test de la sueur : une méthode de diagnostic de la mucoviscidose Les deux documents comparent la conductance électrique de la peau des mains et des pieds de personnes atteintes (CF) ou non (contrôle) de mucoviscidose. On constate dans le document 1 que cette conductance est globalement plus faible de moitié au niveau des mains et des pieds chez la personne malade. Le document 2 nous montre que la concentration en ions chlore est d’environ 20  mmol/L dans la sueur des mains et des pieds chez le « contrôle » et d’environ 90 mmol/L chez la personne atteinte. La sueur des personnes malades est donc plus concentrée en ions chlore, d’où le goût salé constaté sur la peau des bébés. Cet excès d’ion chlore est lié à une conductance électrique faible qui témoigne d’une mauvaise réabsorption du chlore des cellules épithéliales qui fabriquent la sueur. Cela est à mettre en relation avec le phénotype moléculaire de la mucoviscidose qui se manifeste par un mauvais fonctionnement des protéines CFTR à l’origine d’un mucus épais provoquant une respiration difficile. 139

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Livre du professeur – SVT 1re

Vers le bacp. 301-306

SMN1/SMN2

SMN1/SMN2

11. Origine de la drépanocytose L’établissement du phénotype drépanocytaire est dû à une modification du génotype : une mutation en position 20 de la séquence nucléotidique du gène Hb (codant la chaîne b de l’hémoglobine) porté par le chromosome 11 est visible sur le document 1 : le codon GAG devient GTG. Au niveau du phénotype moléculaire : la substitution d’un nucléotide engendre l’apparition d’un acide aminé Val au lieu de Glu en 7e position de la séquence protéique d’hémoglobine initiale, 6e acide aminé après l’excision de la Méthionine à la fin de la traduction. Au niveau du phénotype cellulaire  : la protéine HbS dans un milieu hypoxique va donner aux hématies une forme en faucille. Au niveau du phénotype macroscopique au niveau tissulaire : diminution de l’oxygénation des tissus et organes. Au niveau du phénotype macroscopique au niveau de l’organisme : vertiges, maux de tête et anémie.

Homme atteint d’amyotrophie spinale Homme non atteint Femme non atteinte

SMN2/ SMN2

SMN1/ SMN1

SMN1/ SMN1

Les individus hétérozygotes homme et femme n’étant pas atteints par la maladie, la transmission génétique est donc autosomale récessive. • L’amyotrophie spinale est donc une maladie génétique car elle est héréditaire et qu’elle implique la mutation d’un gène. Son phénotype moléculaire correspond à une production insuffisante de la protéine SMN par les motoneurones de la moelle épinière. Le phénotype cellulaire est donc un fonctionnement anormal des motoneurones qui empêche la transmission des influx nerveux vers les muscles. Le phénotype macroscopique qui en découle est une faiblesse musculaire plus ou moins marquée dès la naissance.

13. Concevoir une stratégie de résolution 12. L’amyotrophie spinale • On cherche à montrer que l’amyotrophie spinale est une maladie génétique. Le document  1 nous montre que chez les personnes atteintes d’amyotrophie spinale de type I, le gène SMN1 ne s’exprime pas et la protéine SMN est fabriquée en trop faible quantité par le gène SMN2. Cela empêche donc la réception des influx nerveux pour une contraction musculaire. L’étude des pourcentages de copies du gène SMN1 ou SMN2 permet de déterminer le génotype SMN1 ou SMN2 des membres de cette famille et d’identifier l’enfant qui est atteint d’amyotrophie spinale. Le père et la mère présentent un pourcentage de copie pour les gènes SMN1 et SMN2. Ils sont donc hétérozygotes pour les gènes SMN1/SMN2. La fille et le fils 1 ne possèdent qu’un pourcentage de copie pour le gène SMN1. Ils sont donc homozygotes pour le gène SMN1. Le fils 2 ne possède qu’un seul pourcentage de copie pour le gène SMN2. Il est donc homozygote pour le gène SMN2.

On cherche à identifier l’antibiotique qui conviendrait le mieux pour soigner Monsieur Y. Pour cela nous pouvons réaliser un antibiogramme dans lequel plusieurs antibiotiques seront déposés sur une culture de bactéries isolées responsables de l’infection. La pénicilline ne sera pas testée dans la mesure où Monsieur Y est allergique. Nous nous attendons à observer une auréole d’inhibition autour de certains antibiotiques. Les auréoles les plus larges témoigneront de la plus grande efficacité de l’antibiotique qui pourra alors être choisi pour soigner Monsieur Y.

14. Résultat d’un antibiogramme Antibiotique testé

Sensibilité de la souche bactérienne A

1. Amoxylline

++

2. Pénicilline

++

3. Tétracycline

++

4. Acide nalidixique

–

5. Ampicilline 6. Ciprofloxacine

– +++

+ : faible sensibilité, ++ : sensibilité moyenne, +++ : forte sensibilité, – : absence de sensibilité.

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Chapitre 13 : Mutations et santé

Nous n’observons aucune auréole d’inhibition autour des pastilles d’antibiotique 4 et 5 donc la souche bactérienne A est résistante à l’acide nalidixique et l’ampicilline.

15. Guérir la b-thalassémie ou la drépanocytose via les ciseaux génétiques « CRISPR » On cherche à expliquer comment il est possible de réactiver un gène à l’origine de la fabrication d’une hémoglobine pour traiter les personnes atteintes de b-thalassémie. Le document  1 fait état des différentes globines produites au cours de la vie. Les sous-unités alpha ne sont pas présentes dans le graphique mais sont présentes tout au long de la vie. On peut s’interroger sur le mécanisme qui entraîne l’arrêt de la fabrication de la globine g au profit de l’hémoglobine b au cours des mois qui suivent la naissance. Le document 2 revient sur ce mécanisme de régulation. La séquence régulatrice du gène de la g-globine est activée pendant le développement fœtal mais inhibée après la naissance. La levée de cette inhibition permettrait donc de rétablir la fabrication de l’hémoglobine g et de compenser ainsi l’absence de fabrication d’hémoglobine b chez les personnes atteintes de b-thalassémie ou de drépanocytose. Le document 3 nous montre comment il est possible d’utiliser des « ciseaux génétiques » CRISPR-Cas9 pour couper une portion ciblée de l’ADN et la remplacer par une autre portion d’ADN. Pour pallier l’absence de b-hémoglobine on pourrait créer une séquence d’ARN CRISPR capable de reconnaître et de se fixer à la séquence d’ADN régulatrice du gène de la g-globine. En la supprimant, on empêche ainsi l’action inhibitrice de ce promoteur sur le gène de la g-globine et on réactive alors la production d’une globine g après la naissance. Ainsi, à partir de cellules souches prélevées sur des malades, des chercheurs ont réussi à supprimer une séquence d’ADN qui réprimait le gène de la g-globine ainsi qu’une partie du gène de la b-globine malade pour l’inactiver. Résultat : l’hémoglobine contenue dans les globules rouges obtenus après maturation des cellules souches modifiées était à 60 % de l’hémoglobine fœtale.

16. L’usage des antibiotiques Le document  1 nous montre les modes de propagation des bactéries résistantes entre l’environnement, les animaux d’élevage et l’être humain. On remarque ainsi que pour limiter la transmission et l’évolution de la résistance bactérienne il faut agir à différents niveaux dont les élevages. Les antibiotiques longtemps utilisés par les éleveurs en grande quantité comme facteur de croissance ont contribué à la propagation de la résistance bactérienne. En effet, les animaux ayant subi ces traitements sélectionnaient les bactéries résistantes aux antibiotiques utilisés et une transmission vers l’être humain était possible mais aussi vers l’environnement. Le document  2 montre que la résistance d’une bactérie aux streptogramines a fortement diminué à partir de 1999 suite à une loi interdisant l’utilisation des streptogramines dans les élevages comme facteurs de croissance. La croissance des bactéries résistantes est passée de presque 50  % en 1999 à moins de 10 % dès 2001. Dans le cadre d’une politique globale de santé publique, limiter l’usage des antibiotiques à des raisons médicales et non de productivité semble essentiel pour limiter l’augmentation et la propagation de la résistance bactérienne.

Parcours d’orientation

p. 307

Métier : La recherche en génétique : une collaboration de plusieurs métiers L’identification des gènes responsables d’une maladie et l’évaluation de l’efficacité de la thérapie génique nécessitent de faire des tests sur des animaux. Les compétences du zootechnicien sont donc indispensables pour mener des élevages de souris. Des protocoles expérimentaux devront être mis en œuvre pour réussir à introduire le gène sain dans le noyau des cellules. C’est le travail de la chercheuse qui va analyser ces résultats et consulter d’autres études. L’application de ces protocoles lors de nombreux tests sera effectuée par la technicienne supérieure de laboratoire qui communiquera les résultats à la chercheuse. Celle-ci interprétera ces résultats pour déterminer l’efficacité des traitements.

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Livre du professeur – SVT 1re

Actualité scientifique : La roscovitine, un médicament porteur d’espoir Les infections pulmonaires entraînent une inflammation des bronches et sont dues à des bactéries pathogènes. L’utilisation de la roscovitine, contrairement à un antibiotique qui agit directement sur les bactéries, va permettre de stimuler le système immunitaire, principalement les macrophages qui vont aller tuer les bactéries pathogènes. Cette

stimulation des macrophages n’entraîne aucune résistance des malades au traitement et permet de lutter contre toutes les infections bactériennes car les macrophages attaquent de façon indifférenciée les bactéries. De plus la roscovitine, ayant un effet anti-inflammatoire, va permettre de limiter l’inflammation due à l’infection bactérienne, ce qui va atténuer les symptômes de l’infection et atténuer les douleurs du patient.

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Chapitre 14 : Facteurs génétiques, altérations du génome et santé

CHAPITRE 14   Facteurs génétiques, altérations du génome et santé

Manuel p. 308-337

I. Introduction Programme Connaissances Patrimoine génétique et santé La plupart des pathologies d’origine génétique sont dues à l’interaction de nombreux gènes qui ne sont pas tous connus. Certains allèles de certains gènes rendent plus probable l’apparition d’une pathologie. Le fond génétique individuel intervient dans la santé de l’individu. Activités 1 et 2 De plus, mode de vie et conditions de milieu peuvent interagir dans la probabilité d’apparition d’une pathologie (on peut citer, par exemple, la sensibilité aux rayonnements solaires). Activités 1 et 2 Altérations du génome et cancérisation Des modifications du génome des cellules somatiques surviennent au cours de la vie individuelle par mutations spontanées ou induites par un agent mutagène ou certaines infections virales. Elles peuvent donner naissance à une lignée cellulaire dont la prolifération incontrôlée est à l’origine de cancers. Activités 3 et 6 On connaît, de plus, des facteurs génétiques hérités qui modifient la susceptibilité des individus à différents types de cancers. Activité 4 La connaissance des causes d’apparition d’un type de cancers permet d’envisager des mesures de protection (évitement des agents mutagènes, surveillance régulière en fonction de l’âge, vaccination), de traitements (médicaments, thérapie génique par exemple) et de guérison. Activités 5 et 6 Notions fondamentales Mutations, cancérisation, facteurs de risques. Objectifs Les élèves doivent savoir que la détermination des causes d’une maladie repose sur un mode de raisonnement et des outils statistiques. Une pathologie précise (maladie cardiovasculaire ou diabète de type II, par exemple) est utilisée pour illustrer le thème. Les élèves développent leur esprit critique face aux discours simplificateurs (facteurs dits déterminants, génétiques ou non, etc.). Les élèves acquièrent les connaissances fondamentales sur le développement des cancers, sur leurs origines et leurs formes multiples. Ils comprennent que l’identification de l’origine de certains cancers permet la mise en œuvre de mesures de santé publique. Capacités Patrimoine génétique et santé →→ Recenser, extraire et organiser des informations pour identifier : –– l’origine multigénique de certaines pathologies ; Activités 2 et 4 –– l’influence de facteurs environnementaux. Activité 5 →→ Identifier, dans le cas d’une maladie à causalité multifactorielle, les principes, les intérêts et les limites de l’épidémiologie (descriptive ou analytique) et de ses méthodes (étude de cohortes et témoins). Activités 1, 2, 5 et 6 ; exercices 10, 11 et 16 →→ Mener une analyse statistique simple sur des données de santé ; cartographier une pathologie en la visualisant sur un système d’information géoscientifique, par exemple. Activité 1 →→ Appréhender de manière critique les conditions de validité d’affirmations lues ou entendues concernant la responsabilité d’un gène ou d’un facteur de l’environnement dans le développement d’une maladie. Activité 1 ; exercices 7, 8, 10 et 16 143

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Livre du professeur – SVT 1re

→→ Savoir expliciter ses comportements face à un risque de santé pour exercer sa responsabilité individuelle ou collective. Activités 5 et 6 ; exercices 10, 11 et 16 Altérations du génome et cancérisation →→ Recenser, extraire et organiser des informations pour identifier les facteurs de cancérisation (agents mutagènes, infections virales, susceptibilité génétique). Activités 4, 5 et 6 →→ Estimer l’augmentation du taux de mutation induit par un agent mutagène. Activité 3 →→ Recenser les causes multiples pouvant concourir au développement de certains cancers (pulmonaire, hépatique, peau) et les mesures de prévention possibles (limitation de l’exposition aux UV et à diverses pollutions chimiques, politique antitabac, etc.). Activités 5 et 6 →→ Identifier l’importance, en matière de santé publique, de certains virus liés à la cancérisation (hépatite B, papillomavirus) et connaître les méthodes de prévention possibles (vaccination). Activité 6 Précisions À partir de l’exemple choisi, les élèves discernent les principes généraux d’une approche épidémiologique, sans formalisme mathématique complexe. Ils ne développent pas une expertise réelle en matière d’épidémiologie, mais sont sensibilisés à ce type d’approche. Les mécanismes moléculaires de la cancérisation ne sont pas à traiter.

Commentaires pédagogiques L’idée est de faire prendre conscience aux élèves que la détermination de l’origine d’une maladie est complexe et repose sur l’analyse de très nombreuses données statistiques. Il existe d’autre part une limite à ces études car la présence d’un risque avéré ne signifie pas obligatoirement le déclenchement d’une maladie. Les activités 1 et 2 permettent de mettre en évidence que c’est par l’analyse de données statistiques des modes de vie individuels et des prédispositions génétiques que l’on peut évaluer le risque de déclarer des maladies cardiovasculaires ou un diabète de type 2. L’étude des cancers des activités 3 et 4 complète l’étude des facteurs de risque. Les connaissances sur la division cellulaire et sa régulation sont réinvesties pour comprendre le rôle du gène p53 dans le processus de cancérisation. Ainsi, l’étude du génotype des individus constitue un élément important de l’évaluation du risque de déclarer un cancer. Enfin les activités 5 et 6 permettent de sensibiliser les élèves aux comportements individuels et collectifs qui permettent de lutter contre certains types de cancer. Les enjeux de la vaccination, dont le principe sera explicité dans le chapitre suivant, sont ici présentés dans le cas d’une prévention du papillomavirus et de l’hépatite B.

BIBLIOGRAPHIE ◗◗ Ouvrages de référence -- Cancer, l’arsenal des nouvelles thérapies, Pour la Science Hors-Série no 99, mai-juin 2018. -- Les nouvelles armes contre le cancer, La Recherche no 542, décembre 2018.

◗◗ Sites internet -- Site de Santé publique France : https://www.santepubliquefrance.fr/ -- Dossier de l’Inserm sur le diabète de type 2 : https://www.inserm.fr/information-en-sante/dossiers-information/diabete-type-2 -- Dossier de l’Inserm sur l’immunothérapie des cancers : https://www.inserm.fr/information-en-sante/dossiers-information/immunotherapie-cancers

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Chapitre 14 : Facteurs génétiques, altérations du génome et santé

relation avec le document  2 qui évaluait les facteurs de risques de ce type de d’accident.

II. Corrigés Activités

p. 310-321

Activité 1 Détermination de certains facteurs de risque d’une maladie • Durée estimée : 1 heure • Objectif  : Montrer comment les résultats d’études épidémiologiques peuvent servir de fondement aux politiques de santé publique et de médecine préventive. • Compétences Compétences

Capacités associées

Pratiquer des démarches scientifiques

Formuler un problème scientifique. Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

Adopter un comportement éthique et responsable

Appréhender de manière critique les conditions de validité d’affirmations lues ou entendues. Savoir expliciter ses comportements face à un risque de santé pour exercer sa responsabilité individuelle et collective.

Pratiquer des langages

Utiliser des logiciels d’acquisition de données.

Exploitation des documents Le document 1 présente une mise en relation de différentes données épidémiologiques. Elles permettent de faire des corrélations entre plusieurs facteurs de risques tels que le tabagisme, l’hypertension et l’âge ou l’hypertension et le taux de cholestérol. Le document 2 présente un exemple d’utilisation de la consultation de la base de données du CépiDC sur l’infarctus cérébral. Il est aussi possible d’aborder une étude épidémiologique sur d’autres maladies dont les diabètes sucrés traités dans l’activité  2, ou le cancer du col de l’utérus traité dans l’activité  6 (dans le document  3 p.  321  : la détermination de l’âge d’apparition des cancers déclarés lié à l’HPV est directement en lien avec ces études épidémiologiques). Le document 3 permet de relativiser l’impact d’une diminution d’un facteur de risque en fonction du taux de mortalité. Le document  4 traite de la prévention du risque d’accident vasculaire cérébral, il peut être mis en

Le document 5 montre l’importance d’une activité sportive même moyenne sur le risque de mortalité par maladies cardiovasculaires. Il montre que le mode de vie a une influence sur certains facteurs de risques. Corrigés du guide de travail • Le document 1 nous montre qu’un risque cardiovasculaire est d’autant plus important chez les hommes diabétiques, fumeurs, âgés de plus de 60  ans avec un taux de cholestérol élevé (7 à 8 mmol/L) et ayant une hypertension artérielle de plus de 160. On peut donc en déduire qu’une surveillance médicale plus importante de la tension artérielle est nécessaire à partir de 60  ans chez les hommes diabétiques et fumeurs. On privilégiera aussi une alimentation sans excès de cholestérol et l’arrêt du tabagisme. Le document  5 nous indique que plus le niveau d’activité physique est élevé, plus le risque de mortalité de maladie cardiovasculaire est faible. La pratique de sport permet donc de limiter le risque de maladie cardiovasculaire. Le document 3 nous permet de comprendre que l’effet de la diminution d’un facteur de risque n’a pas le même impact selon le taux de mortalité du pays étudié. Il est donc difficile d’identifier précisément le rôle d’un facteur de risque dans le déclenchement d’une maladie. • Les résultats de l’étude épidémiologique présentée dans le document  2 nous permettent d’identifier les hommes de 55 à 75  ans et les femmes de plus de 75 ans comme étant les plus exposés au risque d’accident vasculaire cérébral. D’autre part, le document  4 nous indique que le risque relatif de décès par infarctus est beaucoup plus élevé chez les jumeaux monozygotes jusqu’à l’âge de 75 ans. Le facteur génétique doit donc être pris en compte dans le risque de maladies cardio vasculaires. Les hommes de plus de 50 ans et les femmes de plus de 75  ans ayant des antécédents familiaux d’accidents cardiovasculaires sont donc à privilégier dans la sensibilisation aux messages de lutte contre ce type de maladie.

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Livre du professeur – SVT 1re

Évolution du nombre d’hommes et de femmes atteints d’accident vasculaire en fonction de leur âge en 2000 en France métropolitaine 2 000

Femmes

Synthèse : Facteurs de risque

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500

0