1. Hybridation et polyploïdisation

Cours : Biodiversité génétique
Biodiversité génétique
Objectif(s)
Comment la modification du génome peut-elle conduire à une diversification des êtres
vivants ?
La biodiversité est directement liée au génotype de chaque individu. Ce dernier est
unique et dépend de la combinaison des allèles qu’il a reçue de chacun de ses parents.
Au cours de la méiose (formation des gamètes mâles et femelles), se produisent des
brassages génétiques qui conduisent à une augmentation de la diversité
génétique. Ils se combinent avec le brassage génétique de la fécondation.
Toutefois, le génome peut subir d’autres modifications génétiques qui vont conduire à
l’émergence d’espèces présentant des caractères nouveaux. Nous allons étudier ces
modifications.
1. Hybridation et polyploïdisation
Un hybride résulte du croisement entre deux individus hétérozygotes appartenant
à des espèces différentes. Il peut survenir une hybridation entre deux espèces
appartenant à un même genre.
a. Hybridation sans polyploïdisation : cas des tournesols américains
Aux États-Unis, il existe 67 espèces différentes de tournesols du genre Hélianthus.
Certaines sont présentent dans les mêmes aires écologiques.
C’est le cas de H. annuus (tournesol annuel), H. petiolaris (tournesol à long pétiole) et H.
anomalus (tournesol anormal) qui vivent à l’ouest du pays.
Ces trois espèces possèdent le même nombre de chromosomes (2n = 34).
L’étude chromosomique de ces trois espèces a montré des similitudes :
- les chromosomes 1 à 6 sont identiques entre les trois espèces ;
- les chromosomes 10, 11, 15 et 16 sont identiques entre l’espèce H. petiolaris et H.
anormalus alors que le chromosome 16 est le même entre l’espèce H. annuus et H.
anormalus.
L’espèce H. anormalus possède aussi dans son génome des chromosomes présentant leur
propre remaniement n’ayant pu se réaliser qu’après au moins trois cassures, trois fusions
et une duplication à partir des chromosomes des deux autres espèces.
Ces observations suggèrent que l’espèce H. anormalus a hérité son génome du
remaniement chromosomique des deux autres espèces. C’est donc une espèce
hybride.
• Comment cette hybridation a-t-elle pu se réaliser ?
Les deux espèces parents sont des espèces sympatriques, c’est-à-dire des espèces
coexistant dans un même territoire.
Leur floraison est légèrement décalée et les pollinisateurs sont communs aux
deux espèces. Dans ces conditions, l’hybridation peut avoir lieu. Elle donne tout d’abord
naissance à des hybrides de première génération F1 semi-stériles. Puis, au fil des
générations, seules subsistent les hybrides présentant des recombinaisons
chromosomiques favorables. Ils sont fertiles entre eux. On aboutit ainsi à leur
isolement reproducteur et donc à l’émergence d’une nouvelle espèce présentant
des caractéristiques différentes des espèces d'origine.
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Dans le cas du tournesol anormal, il s’acclimate mieux aux milieux très secs.
Des simulations informatiques ont montré que la stabilisation de l’espèce hybride
est rapide (25 à 60 générations seulement). La reconstitution en serre de cette
hybridation conduit à la naissance d’espèces très proches génétiquement de H. anormalus.
On pense que ce processus peut survenir naturellement sans l’intervention de
l’Homme.
b. Hybridation suivie de polyploïdisation
La polyploïdisation est un mécanisme classique au sein des végétaux. On estime que 70
% des espèces angiospermes ont connu au moins un événement de
polyploïdisation au cours de leur histoire évolutive.
• En quoi consiste la polyploïdisation ?
On sait qu’au cours de leur cycle de reproduction sexuée, les espèces passent d’un stade
haploïde (n chromosomes) à un stade diploïde (2n chromosomes). Suivant l’espèce, la
phase haploïde prédomine sur la phase diploïde ou l’inverse.
Dans le cas d’une espèce polyploïde, le nombre de chromosomes est le multiple d’un
nombre supérieur à 2 (3n triploïdie ; 4n tétraploïdie, …).
Exemples de polyploïdie :
Pomme de
Terre
Banane
Cacahuète
Tabac
Coton
4 × 12 = 48
chromosomes
3 × 11 = 33
chromosomes
4 × 10 = 40
chromosomes
4 × 12 = 48
chromosomes
4 × 13 = 52
chromosomes
Blé tendre 6 × 7 = 42 chromosomes
Fraise 8 × 7 = 56 chromosomes
Canne à sucre
8 × 10 = 80
chromosomes
• Comment se forme une espèce polyploïde ?
Au cours de la méiose, les chromosomes d’une même paire se séparent en deux lots
identiques durant la première division méiotique. Si la membrane cellulaire ne se reforme
pas entre les deux cellules, la cellule produite comporte 2n chromosomes et conduit à la
production de gamètes à 2n chromosomes au lieu de n chromosomes.
Ce mécanisme peut être provoqué artificiellement par l’Homme chez les végétaux. Il
utilise notamment la colchicine qui bloque la reconstruction de la membrane cellulaire. En
effet, la polyploïdie est associée à des phénotypes de gigantisme cellulaire et
morphologique qui permet d’optimiser la production végétale.
Il existe naturellement des espèces végétales :
- Autopolyploïdes qui se forment par duplication des chromosomes au sein d’une même
espèce : la pomme de terre (4n = 48), la banane (3n = 33).
- Allopolyploïdes qui se forment après un croisement entre deux ou plusieurs espèces :
le tabac (4n = 48), la fraise (8n = 56), le blé tendre (6n = 42).
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Ce phénomène est beaucoup plus rare parmi les espèces animales. On cite cependant
l’existence d’une espèce de Xénope (X. laevis) qui est une espèce allo-tétraploïde
possédant 36 chromosomes. Si on la compare à l’espèce X. tropicalis diploïde on
constate que la taille des individus mâles et femelles est beaucoup plus grande ainsi que la
taille des œufs. De plus, ils ont une durée de vie plus longue.
2. Transfert par voie virale
Un virus est un parasite cellulaire qui se multiplie en utilisant la machinerie de la cellule
qu’il infecte.
Au cours du cycle viral, le virus injecte dans le cytoplasme son propre matériel
génétique sous la forme d’ADN ou d’ARN. Dans ce dernier cas, l’ARN est rétrotranscrit
en ADN qui va ensuite être intégré dans le génome de la cellule (les rétrovirus).
On connaît aujourd’hui la séquence complète du génome humain. En plus des séquences
codant pour des gènes connus et fonctionnels, on dénombre un grand nombre de
séquences qui présentent des homologies avec des séquences virales (8 % seraient
composées de vestiges rétroviraux).
Ainsi, la biodiversité du génome d’une espèce pourrait résulter de l’intégration
stable de séquences virales. Au sein du génome de l’Homo sapiens, on peut citer
l’exemple du gène codant la syncitine. C’est une glycoprotéine d’enveloppe
rétrovirale (HERV-W) capable d’induire les fusions membranaires indispensables à
l’entrée du virus dans la cellule cible.
Cette protéine est fortement produite par les cytotrophoblastes, cellules impliquées dans
la formation du placenta. Elle permet la formation du syncytiotrophoblaste, siège des
échanges materno-fœtaux.
3. Implication des gènes du développement
a. Le rôle des gènes homéotiques
La biodiversité du vivant se traduit par des morphologies différentes qui
s’acquièrent au cours du développement embryonnaire.
C’est au 19 e siècle que sont découverts les gènes homéotiques ; ils contrôlent la mise
en place des organes et appendices. Leur mutation va perturber l’organisation
spatiale de l’organisme et la morphologie des organes et appendices.
La drosophile est le premier modèle animal utilisé pour étudier la fonctionnalité de ces
gènes. On identifie 8 gènes Hox répartis en 2 groupes (le complexe Antennapedia et le
complexe Ultrabithorax) présents sur le chromosome 3. Ils déterminent la position des
segments le long de l’axe antéro-postérieur de la drosophile. Au sein des complexes,
les gènes sont disposés dans le même ordre de leur expression au sein de l’embryon.
La mutation du gène antennapedia conduit au positionnement de pattes à la place des
antennes.
La comparaison des séquences de différents génomes a montré que les gènes Hox se
retrouvent dans toutes les espèces animales testées. Les homologies de
séquences sont importantes, jusqu’à 100 % parfois pour les homéodomaines de
drosophile et de vertébrés.
Chez les vertébrés, les gènes Hox sont disposés en 4 complexes répartis sur 4
chromosomes différents. L’ordre des gènes au sein de ces complexes est aussi en
relation avec leur ordre d’expression dans l’embryon. Par contre, l’identité de chaque
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segment est conférée par une combinaison d’expression de plusieurs gènes Hox qui lui est
propre.
Les gènes homéotiques forment donc une famille multigénique issus de processus de
duplication, crossing-over voire même polyploïdisation (duplication de tout le
génome). Ils sont donc dits homologues et proviennent tous d’un même gène
ancestral.
Le gène Pax6, commun à la drosophile et à l’Homme est impliqué dans la construction
de l’œil. Sa mutation chez l’Homme conduit à une malformation de l’iris : l’aniridie.
Chez la drosophile, elle conduit à une absence de l’œil. Lorsque l’on transfert le gène
Pax6 humain à une cellule œuf de drosophile, on aboutit à la reconstruction de l’œil.
• Comment peut-on expliquer une diversité morphologique au sein des êtres
vivants alors qu’elle dépend de gènes homologues ?
La fonction des gènes homéotiques dépend de l’endroit et de la période pendant
laquelle ils sont exprimés au cours du développement embryonnaire.
b. Importance de l'expression spatiale des gènes homéotiques
Parmi les vertébrés, on remarque que les zones d’expression des gènes Hox vont
déterminer le nombre de vertèbres.
Les gènes Hox6c et Hox8c sont exprimés dans les segments thoraciques :
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- La limite antérieure de Hox6c se situe au niveau de la transition cervical / thoracique et
détermine la position des pattes antérieures.
- La limite postérieure de Hox8c se situe au niveau de la patte postérieure.
Chez les serpents et notamment le python, la limite antérieure de la zone d’expression de
Hox6c et Hox8c se situe dans la région crânienne. Ceci a pour conséquence l’apparition de
côtes sur toutes les vertèbres et donc la disparition du cou.
Cette modification de l’expression spatiale des gènes Hox serait à l’origine de la
disparition des membres antérieurs.
La disparition des membres postérieurs résulterait d’un mécanisme différent : absence
d’un signal d’activation du développement du membre.
c. Importance de l'expression temporelle des gènes homéotiques : hétérochronie
Le chimpanzé et l’Homme présentent un très grand nombre de caractères communs
suggérant un degré de parenté. Toutefois, la forme du crâne et sa taille sont
différentes.
Le crâne du chimpanzé présente une face plus saillante « en museau » et un crâne
proportionnellement moins globuleux ainsi qu’un trou occipital en position arrière.
L’Homme présente en fait les caractères juvéniles du crâne du chimpanzé : front
bombé, arrière du crâne arrondi, face petite et placée sous le crâne, trou occipital en
position centrale.
Tout se passe comme si la croissance du crâne humain s’était ralentie au cours du
développement fœtal chez l’Homme. De plus, on constate que la phase embryonnaire
au cours de laquelle les neurones se multiplient dure 2 semaines chez le chimpanzé contre
8 semaines chez l’Homme.
Le rallongement de cette phase du développement serait à l’origine du développement
du cortex cérébral.
Ainsi, la modification de la chronologie de l’apparition des caractères
fondamentaux au cours du développement embryonnaire peut aussi être à l’origine de
la diversification du monde du vivant. Cette chronologie apparaît être sous le
contrôle de gènes homéotiques.
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Cours : Biodiversité génétique
L'essentiel
La biodiversité génétique des êtres vivants repose en partie sur la diversité génétique.
Chaque individu possède dans son génome des gènes qui caractérisent son espèce et
des allèles qui le rendent unique parmi les siens. Cette unicité est en grande partie
due aux brassages génétiques survenant lors de la méiose et de la fécondation.
Les allèles apparaissent au cours de l’évolution par mutation. Les nouveaux gènes
proviennent de duplication de gènes ancestraux dont la séquence évolue.
La théorie de la sélection naturelle de C. Darwin repose sur le fait que les contraintes
du milieu favorisent les individus les aptes à se reproduire et donc a transmettre
leurs gènes. Par le jeu de ces forces évolutives, de nouvelles espèces apparaissent.
Ces processus génétiques ne sont pas les seuls à l’origine de la diversification des
génomes.
En effet, de nombreuses espèces végétales apparaissent suite à l’hybridation de deux
espèces parents conduisant à un remaniement chromosomique. Cette hybridation
peut être suivie d’une polyploïdisation, ce qui va fortement modifier le contenu
génétique des individus en multipliant le nombre des copies des gènes. Ces deux
mécanismes peuvent conduire à la naissance de nouvelles espèces.
Les rétrovirus semblent avoir aussi jouer un rôle dans l’évolution des espèces. Ils
ont la capacité d’intégrer leur génome dans celui de la cellule hôte. Si cette
intégration se fait au niveau des cellules germinales et est stable, les gènes d’origine
viraux peuvent être transmis à la descendance et conduire à l’acquisition de
nouveaux caractères pouvant favoriser l’apparition d’une nouvelle espèce.
L’organisation et la morphologie des organismes dépend de l’expression spatiale
et temporelle des gènes homéotiques. Ce sont des gènes « architectes »
responsables de la mise en place des organes et appendices à un endroit donné et à un
moment donné du développement embryonnaire.
La mutation de l’un de ces gènes peut conduire à la disparition d’un organe, ou à sa mise
en place à un endroit insolite de l’organisme. Elle peut aussi conduire à sa mise en place
prématurée ou retardée. C’est l’hétérochronie.
Ainsi, la morphologie et l’organisation de l’organisme seront modifiées au cours du
développement embryonnaire, ce qui pourra donner naissance à une nouvelle
espèce.
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Cours : Caractéristiques de la croûte continentale
Caractéristiques de la croûte continentale
Objectif(s)
Comment peut-on caractériser la croûte continentale ?
La Terre est recouverte à 70 % par les océans. Le fond des océans est formé par la
lithosphère océanique produite par accrétion au niveau des dorsales océaniques.
Les continents sont formés par la lithosphère continentale de nature chimique et d’origine
différente.
1. Les différentes roches de la croûte continentale
a. Nature des roches continentales
La France est caractérisée par ses paysages variés qui ont évolué au cours des temps
géologiques. Cette richesse est directement liée à la variété des roches constituant le
sous-sol français.
On observe un socle granitique présent à l’affleurement en Bretagne et dans le centre de
la France. Ce socle granitique est recouvert par des roches sédimentaires dans les
bassins sédimentaires (Bassin parisien, Bassin Aquitain) et dans les fossés
d’effondrement (Fossé Rhénan). En Auvergne, on trouve les traces d’une activité
volcanique.
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Cours : Caractéristiques de la croûte continentale
Doc. 1 : Carte géologique de la France.
• Le granite est une roche magmatique de type plutonique.
Il est de texture grenue (holocristalline). Il se forme en profondeur par cristallisation
lente dans les plutons à partir d’un magma. Il est formé en abondance de quartz (SiO 2)
associés à des feldspaths plagioclases et des feldspaths potassiques ainsi que des
micas (biotite noir et muscovite blanc).
• Les roches sédimentaires se forment par dépôts successifs de sédiments issus de
la désagrégation des roches continentales.
Parmi ces roches on peut citer le grès (désagrégation du granite en sable), le calcaire
(issus de la précipitation des carbonates dans les fonds marins), l’argile (désagrégation
des roches silicatées en fines particules), la marne (mélange d’argile et de calcaire).
• Les roches magmatiques volcaniques sont de plusieurs types : (i) le basalte issu
du volcanisme de type effusif (ii) les andésites issus du volcanisme de type
explosif.
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Cours : Caractéristiques de la croûte continentale
Il existe un troisième type de roches, les roches métamorphiques qui témoignent des
contraintes subies par les roches du sous-sol. On trouve ce type de roches au niveau des
chaînes de montagnes qui se sont formées par collision continentale.
Alors que la croûte océanique est relativement homogène (composée de basaltes et
gabbros), la croûte continentale présente une hétérogénéité verticale.
On distingue une croûte superficielle formée de roches sédimentaires (épaisseur de 2
à 3 km) qui peuvent être recoupées par des roches volcaniques recouvrant le socle
granitique délimité par la discontinuité de Mohorovicic à sa base. La croûte
continentale repose sur le manteau supérieur. L’ensemble croûte continentale / manteau
supérieur constitue la lithosphère continentale.
b. Propriétés physiques des roches continentales
Il est possible de calculer la densité d’une roche en suivant le protocole suivant :
1. Peser l’échantillon de roche.
2. Placer l’échantillon dans une éprouvette graduée de 500 mL.
3. Remplir d’eau l’éprouvette jusqu’à 500 mL.
4. Récupérer l’eau dans une seconde éprouvette de 500 mL et calculer le volume occupé
par l’échantillon de roche.
5. Calculer la densité (d) de la roche :
M volumique eau = 1
M roche = masse de l'échantillon de roche trouvé en 1.
V roche = volume occupé par la roche, trouvé en 4.
La densité (d) trouvée n'a pas d'unité car c'est le rapport de 2 masses volumiques.
La densité de quelques roches est donnée dans le tableau suivant :
Roches volcaniques
Roches
sédimentaires
Roches plutoniques
Nom de la roche Densité
Andésite 2,4 à 2,8
Basalte (compact) 2,7 à 3,2
Argile 2,2 à 2,6
Craie 1,25
Grès 1,8 à 3,2
Granite 2,4 à 2,8
Rhyolite 2,2 à 2,7
Gabbro 2,9 à 3,1
Tableau 1 : Densité des différentes roches de la croûte terrestre.
Les roches composant la croûte continentale présentent des densités plus faibles que les
roches composant majoritairement la croûte océanique (basalte compact, gabbro).
Par conséquent, la croûte continentale présente une densité moyenne plus faible
(2,8) que celle de la croûte océanique. Cette différence de propriété physique joue un
rôle important lors des mouvements de subduction.
2. Âge des roches de la croûte continentale
a. Détermination de l'âge des roches continentales par radiochronologie
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Cours : Caractéristiques de la croûte continentale
En 1896, Becquerel découvre la radioactivité.
Il existe des éléments chimiques possédant des isotopes naturels radioactifs. Lors de
leur désintégration, ces éléments vont émettre des rayonnements et se transformer en
éléments stables, présentant une légère différence de masse.
La spectrométrie de masse va permettre d’analyser cette différence et de doser la
quantité des différents isotopes présents dans un échantillon.
Les roches de type magmatique et métamorphique sont de bons candidats pour la
datation par radiochronologie. Elles contiennent naturellement des isotopes radioactifs
dans un système fermé lors de la cristallisation des minéraux.
Dans ce type de système, les isotopes radioactifs (dits « Père ») vont se désintégrer et
donc disparaître au profit de l’élément stable (dit « Fils »).
Quel que soit le couple Père / Fils, la désintégration se fait en suivant une
décroissance exponentielle en fonction du temps. Ainsi, il faut toujours le même
temps pour que la quantité initiale soit diminuée de moitié. Cette durée est appelé
période radioactive (T) ou demi-vie (Document 2). Par contre, elle varie d’un élément
à un autre.
Document 2 : Courbe de désintégration d’un élément Père en un élément Fils.
Prenons l’exemple du Rubidium ( 87 Rb).
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Cours : Caractéristiques de la croûte continentale
Il se désintègre en Strontium 87 (87Sr) selon une période radioactive de 50 × 10 9 années.
Les roches contiennent aussi du 86 Sr qui est un élément stable. Sa quantité ne va donc
pas varier dans un système fermé.
Au temps t = 0, correspondant à la date de cristallisation du magma, les échantillons de
roches ont tous du 87 Rb et du 86 Sr. Par contre, il n’y a pas de 87 Sr.
Au cours du temps, la quantité de 87 Rb diminue au profit du 87 Sr.
Afin de déterminer l’âge d’une roche, on va quantifier ces éléments dans différents
minéraux constituant la roche.
87 Rb
(en atomes / mg)
86 Sr
(en atomes / mg)
87 Sr
(en atomes / mg)
Orthose 110 × 10 19 26,8 × 10 19 19,9 × 10 19
Mica noir 107 × 10 19 2,1 × 10 19 2,4 × 10 19
Mica blanc 93 × 10 19 3,1 × 10 19 3,0 × 10 19
Document 3 : Concentrations isotopiques des minéraux d’un granite.
On trace ensuite la courbe ( 87 Sr / 86 Sr) en fonction du rapport ( 87 Rb / 86 Sr).
Les points des minéraux d’une même roche se retrouvent alignés sur une droite de
formule y = ax + b.
La pente va permettre de déterminer l’âge de la roche selon la formule : .
Avec : .
Document 4 : Détermination de l’âge des roches à l’aide d’un isochrone.
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Cours : Caractéristiques de la croûte continentale
La radiochronologie permet ainsi de déterminer l’âge des roches. Associée à l’étude
pétrographique, elle permet de reconstituer l’histoire géologique d’une région.
b. Âge de la croûte continentale
Les roches de la croûte continentale présentent des âges très variés.
Les plus anciennes sont datées de - 3,8 Ga. Ce sont les gneiss (roches
métamorphiques) que l’on trouve au Canada (Acasta) mais aussi au Groenland, en
Australie et en Antarctique. Elles sont donc beaucoup plus anciennes que les roches de
la croûte océanique qui sont au plus âgées de 180 Ma.
Les continents sont formés d’un « noyau » ancien (les boucliers) daté du précambrien
représentant 77,5 % de la surface continentale émergée qui peut être recouvert de
structures plus récentes (roches sédimentaires).
Ce noyau est entouré de structures plus récentes ayant subi des déformations
(chaînes de montagnes) datées d’au plus de 250 Ma qui représentent 22 % de la surface
continentale émergée.
Sur la surface continentale, on trouve aussi des structures géologiques récentes
correspondant à des fossés d’effondrement (ou rift) le plus souvent recouverts de
roches sédimentaires. Elles ne représentent que 0,5 % de la surface émergée des
continents.
L'essentiel
À la surface de la Terre, on distingue la croûte océanique de la croûte continentale :
• La croûte océanique est formée par accrétion au niveau des dorsales
océaniques.
Elle est composée de roches magmatiques (i) de type volcanique, les basaltes
compacts (couche superficielle) et (ii) de type plutonique, le gabbro (couche inférieure).
La plus ancienne est âgée de -180 Ma. Ceci montre que la croûte océanique est
constamment renouvelée dans les zones de subduction. Au fond des océans, elle est
recouverte de sédiments.
• La croûte continentale présente une hétérogénéité plus importante. On trouve des
roches de différents types : (i) un bouclier granitique ancien (roche magmatique
plutonique) recouvert par (ii) des roches sédimentaires et/ou entrecoupé par des (iii)
roches volcaniques (basaltes, andésites). À la périphérie de ce bouclier on trouve des
roches témoins des déformations subies (iv) : les roches métamorphiques. Elles sont
localisées dans les chaînes de montagnes récentes.
Il est possible de dater les roches magmatiques de type plutonique et certaines
roches métamorphiques de la croûte continentale par radiochronologie. Le principe
repose sur le fait que la quantité d’un élément radioactif P décroît dans un système fermé
de façon exponentielle pour donner naissance à un élément F (dans un rapport 1 P → 1 F).
En connaissant la demie-vie du couple P/F il est possible d’en déduire l’âge de la
roche.
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Cours : Diversification non génétique
Diversification non génétique
Objectif(s)
Comment la diversification des êtres vivants peut-elle être générée sans l’intervention du
génome ?
La diversification des êtres vivants résulte pour une majorité de l’expression des
allèles qui varie d’un individu à l’autre au sein d’une même espèce et des brassages
génétiques qui surviennent lors de la méiose et de la fécondation.
D’autres mécanismes peuvent conduire à une diversification des êtres vivants : des
associations entre plusieurs êtres vivants ou symbioses et la transmission
culturelle des comportements ou apprentissage.
1. La symbiose : une association durable
Un très grand nombre de végétaux possèdent un système racinaire associé à des
champignons : les mycorhizes. Dans cette association, la plante bénéficie de l’eau et
des éléments minéraux efficacement absorbés par le champignon tandis que ce
dernier utilise les molécules organiques synthétisées par la plante grâce à la
photosynthèse.
Si on compare la croissance d’un végétal comme le basilic, on constate qu’elle est plus
rapide en présence de champignons à mycorhizes. Les racines contiennent de nombreux
filaments mycéliens ce qui augmente la surface d’absorption au niveau du sol.
D’autres associations réalisées au niveau du système racinaire existent. Elles impliquent
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Cours : Diversification non génétique
cette fois des bactéries : Rhizobium, qui sont contenues dans des nodosités (renflements)
le long des racines des espèces comme le soja ou la luzerne. Ces bactéries favorisent
l’utilisation de l’azote atmosphérique par la plante. En contrepartie, les bactéries
utilisent le saccharose produit par la plante comme source d’énergie.
La symbiose n’est pas réservée au monde végétal. On décrit des symbioses entre des
espèces animales et des algues. C’est le cas de certains cnidaires formant les coraux. La
présence d’une algue unicellulaire, la zooxanthelle leur donne leur couleur jaune-brune.
La symbiose est donc l’association de deux êtres vivants. Cette association est plus
ou moins pérenne et est bénéfique pour chacun. Elle permet aux organismes d’acquérir de
nouveaux caractères sans modification de leur génome.
2. L'apprentissage : transmission des comportements
En plus de caractères morphologiques, anatomiques, cellulaires et moléculaires, les
espèces, surtout les vertébrés, sont caractérisées par des comportements qui peuvent
être transmis de génération en génération grâce à l’apprentissage.
Au moment de la période de reproduction, le chant des oiseaux constitue un signal auditif
important qui favorise la reconnaissance et le rapprochement des partenaires.
• Expérience :
Un Diamant mandarin est capturé adulte et est mis en présence d’un jeune oiseau durant
son élevage. On compare les enregistrements de chants de ces différents oiseaux à
différents moments de leur vie, à celui d’un oiseau ayant été élevé seul.
• Observation :
On constate que le jeune oiseau ayant été élevé en présence d’un adulte présente un
chant structuré proche de celui de l’adulte, alors que l’oiseau ayant été élevé seul
présente un chant déstructuré.
• Conclusion :
L’apprentissage du chant s’est fait par imitation de l’adulte.
L’apprentissage est très important chez les primates.
On utilise un dispositif permettant à un chimpanzé de se nourrir en actionnant une
baguette en bois. Plusieurs groupes de chimpanzés sont étudiés :
• Groupe 1 : les chimpanzés observent un singe ayant appris le maniement du dispositif
(singe « expert ») pendant 7 jours ; 12 des 16 singes testés sont capables de se nourrir
efficacement grâce à ce dispositif durant la période d’expérimentation. Au bout de deux
mois, 8 singes sont encore capables de se nourrir en utilisant le dispositif.
• Groupe 2 : les chimpanzés n’ont pas eu l’occasion d’observer un singe « expert ».
Aucun n’est capable d’utiliser le dispositif.
L’acquisition de nouveaux caractères, dans ce cas, se fait par observation
d’individus plus âgés et plus expérimentés.
On ne peut donc pas exclure que ce processus ne se fasse par observation d’espèces
différentes.
L'essentiel
La diversification du vivant ne repose pas que sur l’acquisition de nouveaux caractères
issus de l’expression des gènes. Certains peuvent être acquis au cours de la vie sans que
le génome ne soit modifié. Dans ce cas, ils ne sont pas transmissibles à la descendance.
Deux grands mécanismes permettent d’acquérir des caractères nouveaux sans
modification du génome :
• La symbiose qui consiste en l’association durable et bénéfique de deux espèces
différentes.
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Cours : Diversification non génétique
• L’apprentissage qui consiste en l’observation et l’imitation des adultes expérimentés
par les plus jeunes.
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Cours : Épaississement de la croûte continentale
Épaississement de la croûte continentale
Objectif(s)
Quels sont les témoins d’un épaississement de la croûte continentale ?
L’altitude moyenne à la surface des continents est de + 300 m.
Toutefois, il existe certains reliefs beaucoup plus élevés : ce sont les chaînes de
montagnes récentes comme les Alpes ou l’Himalaya.
Ces chaînes de montagnes sont le résultat d’une collision entre deux blocs
continentaux qui a conduit à l’épaississement et au raccourcissement de la croûte
continentale.
Dans la chaîne des Alpes que nous prendrons comme exemple, on estime à 5 mm / an la
vitesse de raccourcissement et 2 mm / an la vitesse de surrection (élévation) des massifs
alpins et jurassiens.
1. La chaîne des Alpes : présentation
La chaîne des Alpes s’étend sur environ 1 000 km de Nice à Vienne en Autriche et
forme un arc de cercle entre la côte d’Azur (Nice), le lac Léman et la riviera italienne.
Cette partie est caractérisée par des sommets très élevés : Le Mont Blanc (4 810 m),
Le Grand Paradis (4 061 m), Le Cervin (4 478 m), Le Mont Viso (3 841 m).
Les études sismologiques ont permis de localiser la discontinuité de Mohorovicic (limite
croûte continentale et du manteau supérieur) sous la chaîne de montagnes. On constate
qu’elle est très profonde jusqu’à 70 à 80 km sous les reliefs les plus importants.
Une chaîne de montagnes est donc une région où la croûte continentale est
particulièrement épaisse. On appelle cet épaississement la racine crustale.
La chaîne des Alpes est bordée au Nord et au Sud par des bassins sédimentaires de
type détritiques (bassins péri-alpins) formés à partir des produits d’érosion de la chaîne
elle-même.
Au niveau de l’arc de cercle, on observe d’Ouest en Est une succession de roches
sédimentaires et de roches métamorphiques plissées dans lesquelles on détecte des
massifs granitiques et métamorphiques.
La présence de déformations des roches (plissement et métamorphisme) témoigne
d’importantes contraintes tectoniques dans cette région.
2. Les témoins tectoniques : chevauchements et décrochements
L’observation de la chaîne des Alpes permet de voir des structures géologiques
particulières qui sont les témoins d’une compression tectonique importante :
• Des plis qui résultent de la déformation des roches en profondeur lors d’une
augmentation de la température. Les roches adoptent alors un comportement
plastique.
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Cours : Épaississement de la croûte continentale
• Des failles inverses qui se forment dans les zones superficielles plus froides. La roche
adopte alors un comportement cassant. Sous l’effet des forces de compression un
compartiment plus ancien remonte au-dessus d’un compartiment plus récent.
• Des décrochements qui correspondent à des mouvements horizontaux des
compartiments le long d’une faille verticale dite « décrochante ».
• Des chevauchements (d) qui conduisent un ensemble de terrains à en recouvrir un
autre. Les deux blocs présentent alors un contact anormal peu incliné. Lorsque le
chevauchement est important (plusieurs km) on parle de nappe de charriage.
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Cours : Épaississement de la croûte continentale
Cette compression tectonique se poursuit en profondeur où on observe une
superposition d’écailles crustales : prisme d’accrétion, aboutissant à un
épaississement et un raccourcissement de la croûte continentale. C’est l’orogenèse.
3. Les témoins pétrographiques : le métamorphisme des roches
Les roches métamorphiques se forment suite à des variations importantes des
conditions de pression et de température. Elles subissent des transformations
minéralogiques et structurales sans que leur composition chimique ne soit affectée.
Les zones orogéniques (formation des chaînes de montagnes récentes) sont des zones
qui favorisent le métamorphisme. En effet, sous l’effet des contraintes, les roches vont
être comprimées et vont pouvoir être enfouies ou au contraire être amenées vers la
surface très rapidement.
Les roches sédimentaires et cristallines alpines ont quasiment toutes subies du
métamorphisme mais avec des degrés plus ou moins importants.
On observe d’Ouest en Est (Document 1) :
- Des roches sédimentaires présentant un degré de métamorphisme faible ;
- Des roches présentant un faciès de schistes verts (métamorphisme de type
pression intermédiaire et haute température) ;
- Des roches présentant un faciès de schistes bleus à glaucophane caractéristiques
de conditions de métamorphisme de basse température et haute pression ;
- Des roches présentant un faciès éclogite correspondant aussi à des conditions de
métamorphisme de basse température et haute pression ;
- Des ophiolites, restes de l’ancienne lithosphère océanique et ayant subies du
métamorphisme de type haute pression et basse température (métagabbro et méta
péridotite).
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Cours : Épaississement de la croûte continentale
Doc. 1 : Carte géologique simplifiée du métamorphisme alpin.
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Cours : Épaississement de la croûte continentale
L’étude des roches métamorphiques permet de reconstituer les conditions de
température et de pression régnant dans la région lors de leur formation.
Notamment, le métamorphisme de haute pression et basse température traduit un
enfouissement des roches lors de la subduction et résulte de l’épaississement de la croûte
continentale.
L'essentiel
La surface des continents qui recouvrent environ 30 % de la surface terrestre est
caractérisée par un relief varié : des plaines, des plateaux et des chaînes de montagnes
récentes. Ces dernières ne sont pas localisées au hasard ; elles sont présentes à la
jonction de deux plaques lithosphériques qui sont soumises à un mouvement de
convergence l’une par rapport à l’autre.
Ce mouvement de convergence a conduit à la disparition d’un océan et à la collision
de deux blocs continentaux qui a pour conséquence la compression et l’épaississement
de la croûte continentale. Ainsi, sous chaque chaîne de montagnes récente, on constate
que la discontinuité de Mohorovicic (Moho) peut atteindre une profondeur de 70 à 80 km.
Il existe de nombreux témoins tectoniques et pétrographiques de cette
compression et de cet épaississement crustal :
- Des plissements, des failles inverses, des décrochements et des chevauchements
- Des transformations minéralogiques et structurales des roches appelées
métamorphisme.
La reconstitution de la chronologie de ces transformations notamment
métamorphiques permet de mieux comprendre l’histoire géologique de la formation
d’une chaîne de montagne incluant (i) la subduction d’une lithosphère océanique, (ii)
la fermeture d’un océan et (iii) la collision continentale conduisant à la surrection
d’une chaîne de montagnes.
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Cours : Espèce : une définition délicate
Espèce : une définition délicate
Objectif(s)
Comment peut-on définir la notion d’espèce aujourd'hui ?
Une espèce est un groupe d’individus interféconds présentant des caractères communs
(phénotype).
Au cours de l’histoire des sciences la définition de ce terme a subi bien des controverses.
1. La définition d'espèce : un peu d’histoire
a. La pensée fixiste
L’espèce est considérée comme un ensemble d’individus qui se ressemblent. C’est
donc une entité immuable. Toutes les espèces présentes aujourd’hui, le sont depuis
toujours.
On définit un prototype de l’espèce qui sert de référence à la classification des êtres
vivants (classification de Linné). Tout individu qui ne répond pas aux critères de ce
prototype est considéré comme présentant une anomalie.
Dans cette vision, les espèces n’évoluent pas et n’ont pas de lien de parenté entre
elles.
Si l'on prend l'exemple des Canard colvert, selon la classification de Linné, le mâle et la
femelle qui sont très différents dans leur plumage (dimorphisme sexuel), étaient classés
comme 2 espèces différentes. Or, par la suite on a pu observer qu'ils pouvaient se
reproduire entre eux et qu'ils appartenaient donc à la même espèce.
Les critères morphologiques seuls ne suffisent donc pas à classer les individus en
tant qu'espèce.
b. La pensée évolutionniste
Au XIX e siècle, Charles Darwin révolutionne la notion d’espèce.
Il propose qu’une espèce ne soit pas stable dans le temps et qu’elle puisse évoluer.
Il introduit ainsi la notion de parenté entre les espèces en argumentant qu’une espèce
peut naître d’une autre espèce par acquisition de nouveaux caractères.
Ainsi, la variabilité intra-espèce devient le moteur de l’évolution.
Sa théorie sera très mal acceptée par la communauté scientifique. Notamment, il
propose que l’Homme ait un lien de parenté avec les singes ce qui est inacceptable
pour l’époque.
Sa théorie a permis de revoir la classification des êtres vivants qui n’est plus seulement
basée sur la description des attributs de l’espèce mais sur son histoire évolutive.
2. La définition d'espèce : les critères actuels
Pour définir une espèce, il faut aujourd’hui prendre en compte différents critères.
a. Les critères de phénétiques
Ils reposent sur le nombre de caractères communs partagés entre les individus.
On estime que deux individus qui se ressemblent, ont plus de chance d’appartenir à la
même espèce que deux individus qui ne se ressemblent pas.
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Cours : Espèce : une définition délicate
Mais attention, l’utilisation de ce critère a ses limites. En effet, dans le cas de certaines
espèces, le dimorphisme sexuel est très important (comme le Canard colvert). Une
espèce peut aussi présenter de grandes différences morphologiques à plusieurs
stades de son développement, comme la plupart des insectes dont la larve est
morphologiquement très différente de l'adulte.
Dans d’autres cas, 2 espèces peuvent présenter un grand nombre de caractères
morphologiques en commun, tout en restant 2 espèces distinctes.
b. Les critères biologiques
• L’interfécondité :
on estime que deux individus capables de se reproduire pour donner une descendance
fertile appartiennent à la même espèce.
Attention toutefois, ce critère a lui aussi ses limites, il ne peut être utilisé pour étudier les
espèces disparues ou isolées géographiquement. Certaines espèces très proches sont
capables de s’hybrider pour donner une descendance fertile (croisement chameau et
dromadaire, hybrides végétaux). De plus, c'est un critère qui ne concerne que les
organismes sexués.
• Les études moléculaires et génétiques : elles permettent d’étudier le flux des gènes
entre deux populations vivant dans la même aire géographique.
Si on ne retrouve pas de gènes communs entre ces deux populations, on peut estimer
qu’elles ne se reproduisent pas entre elles. Ce sont donc deux espèces différentes.
• Les critères écologiques : ils s’appliquent surtout aux espèces végétales qui sont
caractérisées par des période de floraison définies au cours des saisons.
Deux populations qui n’ont pas la même période de floraison ne peuvent pas se
reproduire. Elles forment donc deux espèces différentes.
3. La spéciation : naissance d'une nouvelle espèce
Les mécanismes à l’origine de l’évolution des populations sont à l’origine de l’émergence
des nouvelles espèces.
Une espèce est une population génétiquement isolée des autres populations. Elle n’existe
que sur un temps limité au cours des temps géologiques.
Son devenir est multiple :
• Elle peut disparaître si tous les individus disparaissent. On parle d’extinction.
• Au contraire, si quelques individus s’isolent, ils ne peuvent plus se reproduire qu’entre
eux, c'est l'isolement reproductif. Ce processus peut conduire à la naissance à une
nouvelle espèce. C’est la spéciation.
L’isolement reproductif peut résulter ou non d’un isolement géographique.
a. Spéciation sans isolement géographique
Certains individus peuvent présenter un avantage reproductif au sein d’une même
population.
Cas des cichlidés du lac Apoyo.
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Cours : Espèce : une définition délicate
Le lac de cratère Apoyo (Nicaragua) est colonisé par deux espèces de cichlidés :
Amphilophus citrinellus et Amphilophus zaliosus.
La première est présente dans d’autres lacs d’Amérique latine tandis que la seconde est
endémique (elle n'existe que dans ce lac et nulle part ailleurs dans le monde). Ces deux
espèces de poissons présentent des caractères différents notamment au niveau de
l’anatomie de la mâchoire et du régime alimentaire. A. citrinellus se nourrit près du
rivage alors que A. zaliosus se nourrit en eaux profondes.
L’espèce A. citrinellus serait l’espèce colonisatrice d'origine du lac Apoyo. La forme
ancestrale de cette espèce présentait alors des individus possédant des largeurs de
mâchoires variables réparties dans la population selon une courbe de Gauss (Document
1a).
Les conditions du milieu ont favorisé progressivement des caractères extrêmes donnant
deux sous-populations spécialisées : une population adaptée aux ressources
alimentaires du rivage et l’autre aux ressources alimentaires des eaux profondes
(Document 2b).
Les individus de ces deux sous-populations ayant un avantage sélectionné se sont
préférentiellement reproduits entre eux conduisant à l’émergence de deux formes
extrêmes de poissons présentant des formes de mâchoires très différentes. Ces deux
formes ont fini par ne plus se reproduire entre elles ce qui a conduit à leur isolement
reproductif et à l’émergence de deux espèces de poissons différentes (Document
1c).
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Cours : Espèce : une définition délicate
Doc. 1 : Évolution de la fréquence des caractères extrêmes dans le cas d’une spéciation
sans isolement géographique.
b. Spéciation avec isolement géographique
L’isolement reproductif suite à un isolement géographique est un phénomène plus
facile à comprendre. Toutefois, l’isolement géographique est le plus souvent la
conséquence de grands bouleversements climatiques et/ou géologiques qui ont poussé
certaines populations à migrer.
Cas des espèces Zerynthia.
On peut observer en Italie et en Europe de l’est deux espèces de papillons très semblables
: le Zerynthia cassandra (en Italie) et le Zerynthia polyxena (en Europe de l’Est).
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Cours : Espèce : une définition délicate
Elles diffèrent par la morphologie de leurs organes reproducteurs ce qui empêche
toute hybridation.
Il est proposé qu’une espèce ancestrale vivait sur ces deux aires géographiques avant
les dernières grandes glaciations du quaternaire. Durant la période de glaciation, cette
espèce s’est retrouvée séparée en deux aires géographiques distinctes : le sud de l’Italie
et le péloponnèse (au sud de la Grèce).
Chacune de ces populations va connaître une histoire évolutive propre ce qui va
aboutir à des différences génétiques importantes, une sélection sur des
contraintes environnementales différentes qui finalement va conduire à leur
isolement reproductif. Deux espèces sont nées.
L'essentiel
De l’Antiquité jusqu’au XIX e siècle, les naturalistes considéraient l’espèce comme
une entité permanente et stable. Les espèces présentes avaient toutes cohabité et ne
présentaient donc aucun lien de parenté.
On pouvait regrouper les individus dans un groupe espèce selon des caractères
morphologiques. Tout individu présentant des caractères « originaux », éloigné du «
modèle », était considéré comme une anomalie.
La théorie de l’évolution de Charles Darwin vient révolutionner la notion d’espèce. Il
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Cours : Espèce : une définition délicate
affirme que toutes les espèces présentes ont un lien de parenté et qu’elles ont une
durée de vie limitée dans le temps. Elles sont capables d’évoluer en fonction de la
capacité qu’ont certains individus à s’adapter aux nouvelles conditions du milieu.
Aujourd’hui, définir la notion d’espèce n’est pas aussi simple. Elle repose sur l’utilisation
de plusieurs critères qui ont chacun leurs limites :
• Les critères de phénétiques (morphologie des individus)
• Les critères biologiques incluant l’interfécondité, les données moléculaires de flux de
gènes et les critères écologiques.
Il est acquis aujourd’hui que toutes les espèces présentes actuellement ont toutes un lien
de parenté entre elles et qu’elles sont issues d’un processus complexe : l’évolution. Elles
ne sont donc pas immuables.
L’émergence d’une nouvelle espèce nécessite l’isolement génétique d’un groupe
d’individus capables de se reproduire entre eux. Cet isolement peut être
géographique ou non. Dans ce dernier cas, ces individus ont perdu au hasard des
mutations leur capacité à se reproduire avec les autres individus de l’espèce dont ils sont
issus.
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Cours : Etudes des fossiles et phylogénie de l'Homme
Etudes des fossiles et phylogénie de l'Homme
Objectif(s)
L'Homme actuel est le résultat d'une évolution que l'on va essayer d'approcher au travers
des fossiles découverts.
Un peu d’histoire
En 1856, Johann Carl Fuhlrott (1803–1877), naturaliste allemand enseignant près de la
vallée de Neandertal en Allemagne, reçut une visite qui changea à jamais l’histoire des
sciences. Un propriétaire de carrière lui remit des ossements qu’il avait découverts en
travaillant dans la petite grotte de Feldhofer. Ce dernier avait été étonné de la forme
inhabituelle du crâne et eu l’idée d’amener sa trouvaille à l’instituteur. En effet, la boite
crânienne était plus volumineuse et certaines parties avaient des formes inhabituelles.
Fuhlrott conclut très vite qu’il s’agissait de restes d’un « Homme des temps préhistoriques
». La vallée où il fut trouvé portant un nom prédestiné, Néanderthal qui signifie « homme
nouveau », le fossile découvert reçut le nom d’Homo neanderthalensis.
Doc. 1 : Crâne et bassin d'un Homo neanderthalensis.
Évidemment, l’idée qu’une espèce d’Homme ait pu exister avant la notre fut très difficile à
partager avec d’autres membres de la communauté scientifique et le premier préhistorien
de l’histoire des sciences passa par de longues périodes de découragement.
Heureusement, d’autres fossiles furent découverts dans d’autre pays : la
paléoanthropologie qui est la science étudiant les hominidés était née.
1. Les critères d'appartenance à la lignée humaine
L'Hominisation est définie comme l'acquisition progressive de caractéristiques
propres à la lignée Humaine : morphologiques et anatomiques, culturelles. Par
exemple, le langage, l’écriture et le rire sont des caractéristiques spécifiquement
humaines.
Lorsqu’on découvre un fossile, un des premiers caractères dérivés que l’ont va chercher à
retrouver est la bipédie. La bipédie est un caractère qui serait apparu il y a plusieurs
millions d’années. Une des découvertes extraordinaires du 20 e siècle a eu lieu à Laetoli en
Tanzanie. Dans la cendre volcanique fossilisée, les empreintes de pas d'un hominidé adulte
et celles d'un enfant marchant derrière lui. Vieilles de 3,5 millions d'années, elles seraient
celles de deux Australopithecus afarensis.
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Cours : Etudes des fossiles et phylogénie de l'Homme
Tous les hominidés pratiquent la bipédie. Seul l'homme moderne la pratique de manière
permanente et quasi exclusive (à 99 %). De ce fait l'homme va présenter de
nombreux caractères dérivés en relation avec sa station bipède.
Les caractères du crâne vont par exemple être modifiés. La bipédie va avoir une influence
: on peut citer la position du trou occipital qui va être centrée pour que la tête soit à la
verticale de la colonne vertébrale.
Pour finir, on va rechercher des traces d’une vie sociale et culturelle. La découverte
d’outils à proximité des fossiles est bien sûr une confirmation de l’appartenance à la lignée
humaine. En effet, par rapport aux grands singes, non seulement les hominidés
utilisaient des outils, mais en plus, ils ont appris à les fabriquer et de plus en plus
complexes. Ces derniers sont devenus de plus en plus perfectionnés, une véritable
industrie s’est développée.
L'homme a inventé l'art, la peinture, la décoration, les bijoux. Il a également une
conscience de la mort et au cours de la lignée humaine, une ritualisation de cette
dernière se met en place. Il a également conscience de soi et des représentations de luimême
vont être réalisées.
En conclusion, lors d’une découverte, un fossile appartient à la lignée humaine s’il
possède au moins un des caractères dérivés, ou si des preuves démontrent une
activité culturelle de ce fossile. Il faut savoir que parfois, les découvertes se résument à
quelques dents, un morceau d’os et avec un peu de chances quelques outils. C’est à partir
de peu d’indices que le paléoanthropologue doit élaborer des hypothèses concernant
l’appartenance à la lignée humaine.
2. L'évolution de la lignée humaine est buissonnante
L’Homme est le seul représentant actuel vivant de la lignée humaine. Il appartient
à une seule espèce Homo sapiens.
A partir de l’analyse des fossiles et de la datation, on a pu dégager le caractère
progressif de l’hominisation. Les données fournies par les généticiens proposent une
séparation récente entre l’Homme et le Chimpanzé, vers -10 Ma.
L’origine des Homininés doit donc être recherchée dans les terrains d’âge Miocène (-2,4 à
-5,5 Ma), mais les restes fossiles de cette époque sont peu nombreux, et sont dispersés à
la surface du globe, ce qui rend compliquée l’explication du passage des Grands Singes à
l’Homme.
L'évolution de l'Homme est assez souvent comparée visuellement à un buisson : plus on
s'éloigne dans le temps, plus le nombre d'individus diminue, les fossiles anciens sont
plus rares et difficiles à trouver.
Il faudra attendre l’année 2000 pour trouver un crâne complet d’australopithèque (crâne +
mandibule).
Par ailleurs, il faut savoir qu’à ce jour, seuls les ossements partiels de 2000 individus ont
été découverts. Comprendre l’origine et l’évolution de nos ancêtres est donc une
tâche particulièrement difficile.
Plusieurs espèces ont vécu entre 6 millions d’années et – 100 000 ou est apparue l’espèce
à laquelle nous appartenons : l’Homo sapiens. Deux genres ont coexisté : les
Australopithèques et les Homo.
a. Les Australopithèques
Les Australopithèques, littéralement « singes d’Afrique australe », apparaissent il y a 4,2
Ma et s’éteignent vers -1 Ma. Leurs restes sont nombreux et donnent une bonne idée de
leur morphologie et de certains aspects comportementaux.
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Cours : Etudes des fossiles et phylogénie de l'Homme
Ils se répartissent en :
• Australopithèques « graciles », avec au moins 4 espèces,
• Paranthropes ou Australopithèques « robustes », avec trois espèces.
Les deux espèces les plus connues d’Australopithèques graciles sont les suivantes :
• Australopithecus anamensis (-4,2 Ma, Afrique de l’Est) encore nommé Paranthropus
africanus, est un pré-humain présentant des caractères évolués. Découvert en 1995 au
Kenya, cette nouvelle espèce, a été décrite comme plus archaïque que Lucy.
• Les Australopithecus afarensis (-3,8 Ma en Ethiopie, au Kenya et en Tanzanie). La
fameuse Lucy, découverte en 1974 par un préhistorien français Yves Coppens, est un
Australopithecus afarensis parfaitement bipède, mais ses membres antérieurs très longs
lui confèrent probablement la possibilité de grimper dans les arbres.
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Cours : Etudes des fossiles et phylogénie de l'Homme
En 1978, des traces de pas attestant d’une bipédie (Laetoli, -3,6 Ma) sont attribuées à l’un
où l’autre de ces espèces d’Australopithèques (aferensis). Leur taille est d’environ 1 m à
1,40 m. Leur faible capacité crânienne (350 à 400 cm 3 ) et le développement important de
la face sont des caractères encore très primitifs.
En Afrique de l’Est et du Sud, au niveau du rift africain, plusieurs espèces
d’Australopithèques graciles ont cohabité entre -4 Ma et -2 Ma. Ils vivaient probablement
en petits groupes, près des fleuves et des zones boisées, dans un paysage de savane
arborée, sous un climat chaud et humide. Ils grimpaient dans les arbres peut-être pour y
dormir. Ils utilisaient probablement des outils rudimentaires.
Les Paranthropes ou Australopithèques robustes possèdent des caractères dérivés
très originaux : flexion de la base du crâne par rapport à la face, capacité
crânienne un peu supérieure à celle des Australopithèques « graciles » (500 à
550 cm 3 ). Contemporains des premiers représentants du genre Homo, on les trouve en
Afrique seulement, entre -2,5 Ma et -1 Ma environ. Les caractères dérivés qu’ils
présentent montrent qu’ils ne sont pas à l’origine du genre Homo.
La grande majorité des fossiles a été découverte en Afrique : cela permet donc de
supposer que l’origine de la lignée humaine a une origine africaine.
Mais on ne peut éviter d’envisager une autre hypothèse : le volcanisme et le climat
africain ont constitué les conditions de fossilisation idéales pour la préservation de ces
fossiles. Cependant, l’origine africaine est de moins en moins controversée, au vue de la
découverte récente de deux fossiles appartenant à deux espèces antérieures aux
australopithèques : Toumaï et Orrorin.
b. Les pré-humains
Toumaï : environ - 7 millions d'années - Nord du Tchad.
Neuf fossiles, découverts par l’équipe de Michel Brunet, sont à ce jour attribués à Toumaï :
un crâne, deux fragments de mâchoire inférieure, deux mandibules et quatre dents. Ils
correspondent à 6 individus différents.
Appelé Sahelanthropus, ce fossile fait l’objet d’une querelle entre les inventeurs qui le
présentent comme le plus vieil Homininé découvert à ce jour et l’équipe des découvreurs
d’Orrorin qui pensent que Toumaï est un ancêtre des gorilles et un individu femelle (pour
expliquer la taille des canines).
Le crâne a été retrouvé écrasé et distordu. Une reconstitution électronique en 3D du crâne
a été effectuée selon deux protocoles indépendants, l’un purement géométrique, l’autre
utilisant les contraintes anatomiques existantes chez les crânes de primates : Singes,
Grands singes et Hominidés.
L’analyse morphométrique de la reconstruction finale montre que Toumaï se range
dans le groupe des Homininés et non dans celui des Grands singes, selon le Pr
Brunet. Il possède une arcade dentaire étroite et en U comme les grands singes avec des
molaires et prémolaires plus petites que celles des Australopithèques. Les incisives et les
canines supérieures sont de petite taille. Cependant, la pointe de la canine est émoussée,
or chez les Grands singes, les dents s’aiguisent naturellement. De plus, l'émail des dents
est plus épais que chez les Chimpanzés mais moins que chez les Australopithèques. La
mâchoire est adaptée à une mastication puissante. La position antérieure du trou occipital
est telle qu’elle est compatible avec une démarche bipède. De plus, l’étude du squelette
montre que la colonne vertébrale était verticale par rapport à la tête.
Toumaï possède donc des caractères à la fois primitifs et dérivés qui le distingue
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à la fois des grands singes africains actuels (gorilles et chimpanzés), mais aussi de
tous les autres genres d’Hominidés fossiles décrits jusqu’à ce jour.
Orrorin tugenensis - 6 millions d'années - Tugen / Kapsomin (Kenya).
Au milieu des années 1970, Martin Pickford découvrit une molaire (d’Hominidé ou de
Grand singe) sur le gisement de Cheboit, datée de 6 Ma environ.
A partir de 1998, de nouvelles campagnes de fouilles sont lancées sur quatre nouveaux
sites et plusieurs restes d’Hominidés fossiles bipèdes dans ces niveaux vieux de 6 Ma. Il
s’agit de 20 pièces comprenant des fragments de mandibule, des dents isolées supérieures
et inférieures, des fragments d’os longs (humérus et fémurs partiels) ainsi qu’une
phalange.
Ces pièces suggèrent qu’au moins 5 individus sont représentés, ainsi que plusieurs classes
d’âge, puisqu’elles comprennent une incisive supérieure de lait, des molaires très usées et
de jeunes dents adultes.
La taille est estimée à 1,20 m pour un poids compris entre 30 et 50 kg.
Pour l’instant, aucun crâne n’a été découvert, ce qui ne permet pas de reconstituer le
visage. D’après les morceaux de mâchoire, on suppose que la face plutôt courte d'après
les rares éléments retrouvés. Les dents étaient comparables à celles des chimpanzés et
comme eux, ils semblent qu’il n’y ait pas de mécanismes d’aiguisage mais il faudrait
trouver une prémolaire pour confirmer cette hypothèse. Les molaires sont de taille
modérée avec un émail épais mais moins que chez les australopithèques. De plus, elles
sont rectangulaires et assez semblables à celles des hommes.
Les articulations des bras montrent que Orrorin vivait dans les arbres cependant les
membres inférieurs étaient adaptés à une bipédie dérivée. C'est l'étude du fémur,
grâce à une technique de tomographie assistée par ordinateur, qui a permis d'établir sa
bipédie : en effet, la partie supérieure de son fémur est plus fine que la partie inférieure.
Or, cette caractéristique de rétrécissement du col du fémur dans la partie haute
se retrouve également chez Homo sapiens.
Ces deux espèces sont dorénavant qualifiées de pré-humains. Ces découvertes
permettent d’affirmer que la divergence entre Grands singes africains et
Hommes est antérieure à 6 Ma.
c. Le genre Homo
Il y a 2,5 Ma, apparaît d’autres espèces d’un autre genre : le genre Homo.
La première espèce qui semble être apparue est l’Homo habilis (- 2.5 à -1.5 Ma).
Un des premiers fossiles a été découvert dans la vallée de l’Olduvai. Il était donc
contemporain à l’Australopithecus robustus. Sa capacité crânienne atteint 800 cm 3 et
traduit un développement du cerveau. La boîte crânienne est arrondie, la face réduite, les
mandibules plus fines et la bipédie quasi parfaite… mais la taille reste petite (environ 1
mètre).
Les fossiles sont parfois associés à un outillage de galets aménagés et de silex
grossièrement taillés (outillage oldowayen). De là vient le nom Homo habilis (= Homme
habile), donné à ces premiers Hommes. Les outils sont primitfs et Homo habilis est sans
doute plutôt un charognard qu’un chasseur.
L'adolescent du Turkana - Nom scientifique : Homo ergaster.
L’Homo ergaster était présent entre 2 et 1 Ma. Le premier squelette a été découvert au
Kenya, c’est l’adolescent de Turkana. Cette découverte représente le squelette le plus
complet d’hominidé ancien jamais découvert, avec le crâne complet et la plupart du
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matériel post-crânien intact.
Ce spécimen a été attribué à l’espèce Homo ergaster, même si certains chercheurs
pensent qu’il appartient à Homo erectus. Les discussions se poursuivent.
D’une taille de 1,62 m, cet adolescent (la structure osseuse et le développement dentaire
du fossile sont compatibles avec ceux d’un garçon de 12 ans) aurait atteint les 1,80 m à
l’âge adulte.
La boîte crânienne est volumineuse et anguleuse ; le volume cérébral est estimé entre 800
et 950 cc, montrant un développement des lobes frontaux. Le front est fuyant et la voûte
crânienne basse.
Le bourrelet sus orbital développé, divisé en deux arches et séparé du front par une
gouttière.
La face est réduite, la mandibule est petite, mais renforcée de plusieurs bourrelets osseux
et dépourvue de menton. La taille des molaires est réduite et les incisives sont
développées en un arc arrondi et surtout l’émail est épais.
Les bras sont courts, ce qui exclut un mode de vie arboricole. Le pouce, robuste est
capable d'opposition avec les autres doigts.
Le trou occipital est en position avancée, les jambes sont relativement longues, les fémurs
sont obliques et le pied comporte une double voûte plantaire. Toutes ces
caractéristiques traduisent une bipédie humaine, avec des aptitudes à la course.
De plus, des outils ont été découverts : certains sont d’ailleurs plus évolués que ceux de
Homo habilis. On pense qu'Homo ergaster est l'inventeur des bifaces symétriques.
On a également trouvé les premières traces d'habitat : un cercle de pierre, daté de - 1,8
millions d'années, trouvé à Olduvai est interprété comme les fondations d'une hutte de
branchages. D'autres vestiges archéologiques traduisent la présence d'installations en
bordure de rivières et sur des collines.
Homo ergaster est l'un des premiers Homininés à quitter le continent africain. En effet,
d’autres fossiles ont été découverts depuis en Eurasie. Il semblerait que c’est le fait de
manger de la viande qui ait poussé l’H. ergaster à suivre les troupeaux.
Homo erectus
Les premières découvertes sont celles du Pithécanthrope de Java, puis celles de l'Homme
de Pékin.
Homme de Java
Homme de Pékin
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Puis d'autres découvertes ont été réalisées en Afrique ; ce sont d’ailleurs les fossiles les
plus âgés. Par contre, sa présence en Europe n'est pas certaine : il s'agirait probablement
d'Homininés dérivant des Homo erectus.
Ces découvertes successives ont permis de comprendre que les Hommes érigés
représentent un groupe très diversifié, qui se caractérise notamment par une
augmentation graduelle du volume crânien.
La carte des migrations d'Homo erectus hors d'Afrique a pu être réalisée en tenant compte
de l'âge des fossiles retrouvés.
Crâne d'Homo erectus.
On pensait qu'Homo habilis était apparu il y a environ 2,5 millions d'années et avait
disparu lors de l'apparition d'Homo erectus. Mais de nouveaux fossiles prouvent que les
deux espèces ont vécu à la même époque pendant 500 000 ans. Il semble maintenant peu
probable qu'Homo erectus soit le descendant d'Homo habilis. Continuant leurs spéculations
les chercheurs proposent même que les deux espèces soient issues d'un ancêtre commun,
il y a 2 à 3 millions d'années. Homo erectus et Homo habilis n'ayant pas le même régime
alimentaire (plus carnivore pour le premier et plus végétarien pour le deuxième), ils ne
seraient donc pas rentrés en compétition et auraient pu vivre dans la même région
pendant une longue période.
Nous naissons avec un petit cerveau qui va lentement grandir tout au long de notre
croissance, pendant au minimum 10 ans, ce qui explique le développement de nos
capacités cognitives comme le langage. Le fossile de Mojokerto présente lui, une évolution
rapide qui le rapproche plus de celle du Chimpanzé. Les chercheurs estiment que cette
croissance rapide du cerveau montre l’incapacité des Homo erectus à développer un
langage articulé.
Les traces fossiles d'activités culturelles sont nombreuses. Les fouilles ont montré qu’il
maîtrisait le feu depuis- 700 000 ans environ et qu’il pouvait fabriquer des outils
relativement élaborés.
Homme de Neanderthal, présent en Europe, dont la France, au moyen et au
proche orient de -300 000 à – 28 000 ans.
Il aurait pour origine Homo ergaster.
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Crâne d'Homo neanderthalensis.
Une comparaison entre un fragment de l’ADN mitochondrial provenant de l’humérus de
l’homme de Neandertal et celui d’Hommes actuels tend à démontrer une séparation
ancienne (40 0000 ans ?) des lignées modernes et néandertaliennes. Ce n’est donc pas
notre ancêtre ! Une étude génétique récente à pourtant démontrée que les Européens et
les Asiatiques possèderaient 1 à 4 % de l’ADN des Néanderthaliens.
Diverses hypothèses ont été émises pour expliquer l’extinction des Néandertaliens : l’une
des plus vraisemblables est un effacement de cette espèce face aux hommes modernes en
plusieurs dizaines de milliers d’années. À causes de différences dans les taux de fécondité
et de mortalité des deux groupes, les Néanderthaliens semblaient trop peu nombreux lors
des grandes glaciations pour pouvoir parvenir à maintenir une certaine population.
Son volume crânien est remarquable car il est compris entre 1500 et 1700 cc, il est donc
supérieur à celui de l'Homme actuel qui n'est que de 1450 cc en moyenne. Parmi les
caractéristiques morphologiques, on notera son front fuyant et son absence de menton.
L’Homme de Cro-Magnon, (de - 120000 environ à l'actuel pour l'espèce).
Cro-Magnon appartient à la même espèce que l'Homme actuel : Homo sapiens. Découvert
pour la première fois aux Eyzies en Dordogne, ses caractéristiques morphologiques sont
très proches de celles de l’Homme actuel. La forme de son crâne ressemble beaucoup à la
notre, le volume de cerveau est comparable. Il faisait entre 1 m 70 en moyenne. Avec lui
se développe une culture très avancée et notamment l’art rupestre, c'est-à-dire les
peintures sur les parois des grottes.
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Homme de Cro-Magnon
Homo sapiens sapiens
Son origine est africaine, probablement il y a 200 000 à 150 000 ans. Son origine semble
être une population d’Homo ergaster africaine. Les premiers Homo sapiens sont plus
robustes que les représentants actuels. Leur morphologie longiligne correspond à une
origine méridionale de type savane africaine.
Homo sapiens est le premier Homininé à coloniser l'Amérique du Nord et du Sud, ainsi que
l'Océanie.
Les industries deviennent variées, les outils se diversifient et se spécialisent, les matériaux
utilisés deviennent nombreux. Évidemment, il maîtrise le feu.
Des croyances religieuses se manifestent par des sépultures, des peintures
rupestres.
3. Le débat continue
La lignée Humaine est actuellement représentée par une seule espèce, l’Homme,
dont les populations partagent les mêmes allèles, avec une fréquence variable. Les
différences au niveau de la fréquence des allèles sont d’autant plus marquées entre deux
populations que ces populations sont éloignées géographiquement. Cela suggère que les
populations Humaines actuelles ont la même origine, et qu'elles dérivent toutes d’une
seule et même population ancestrale.
Il peut donc être envisagé que l’Homme moderne est apparu très récemment,
probablement en Afrique mais attention, une autre hypothèse envisage qu’il y ait
eu apparition simultanée d’Homo sapiens à la fois en Afrique et en Asie.
Cette origine daterait de seulement 100 000 à 200 000 ans. La population ne
comptait qu’une dizaine de milliers d’individus. Elle aurait peu à peu remplacé Homo
erectus.
La lignée Humaine présente un caractère buissonnant c'est à dire que l’évolution
des caractères ne s’est pas faite de façon linéaire et régulière. Plusieurs genres
et plusieurs espèces d’Hommes ont cohabité. Ces espèces présentent des
caractères dérivés en commun. Elles se sont donc individualisées à partir d’un
ancêtre commun.
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Cours : Exemple d'une infection virale
Exemple d'une infection virale
Objectif(s)
Comment l'organisme se défend-il contre une infection virale ?
Les agents infectieux sont classés en quatre catégories :
• Les microorganismes extracellulaires (bactéries, champignons, certains parasites).
Ex. bactérie responsable de la pneumonie, parasite responsable de la maladie du sommeil.
• Les microorganismes intracellulaires.
Ex. bactérie responsable de la lèpre ou de la leishmaniose, parasite responsable de la
malaria.
• Les virus.
Ex. virus de la grippe (Influenza virus), du SIDA (VIH), de l’hépatite B (HBV).
• Les vers parasitaires.
Ex. les helminthes.
Nous allons nous intéresser à la réponse immunitaire induite lors d’une infection virale,
celle du virus de la grippe.
Le virus de la grippe est un virus à ARN. Il existe plusieurs virus de la grippe, tous
responsables d’épidémies saisonnières plus ou moins graves. Ce virus peut infecter
d’autres espèces animales comme les oiseaux ou le porc qui jouent alors le rôle d’espèce
réservoir.
1. Les étapes d'une infection virale
a. les voies d'entrée dans l'organisme
Les virus peuvent entrer par différentes voies :
• Les voies aériennes lors de l’inhalation de gouttelettes contaminées (virus de la grippe
ou du rhume). Ils traversent les muqueuses des voies respiratoires.
• Le tractus gastro-intestinal lors de la consommation d’une eau ou d’une nourriture
contaminée (rotavirus responsable de diarrhées).
• Le tractus génital lors d’une relation sexuelle non protégée (HIV, HBV, …).
• La voie sanguine lors d’une piqûre de moustique (flavirus responsable de la fièvre
jaune), au cours d’une grossesse, lors d’une transfusion sanguine.
b. La propagation virale dans l'organisme
Le virus de la grippe est formé d’une enveloppe dans laquelle sont enchassées les
protéines HA (Hémaglutinine) et NA (Neuraminidase) entourant une nucléocapside qui
contient le matériel génétique (7 à 8 molécules d’ARN) codant chacun pour une à deux
protéine virales) associé à différentes protéines virales dont une ARN polymérase
(PB1).
Les virus se comportent comme des parasites obligatoires. Ils doivent infecter
une cellule pour pouvoir se reproduire.
Il existe différents types de virus mais leur mode de réplication cellulaire présente des
étapes communes :
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• Étape 1 : le virus s’attache à la membrane de la cellule par l’intermédiaire de ces
protéines d’enveloppe. Cette fixation permet l’entrée du virus dans la cellule.
• Étape 2 : le génome viral s’exprime en utilisant la machinerie cellulaire. Les
nouveaux composants viraux s’assemblent dans la cellule pour former de nouveaux virus.
• Étape 3 : les nouveaux virus sont libérés dans le milieu extérieur. La cellule
infectée peut soit être détruite soit poursuivre la production virale.
Le document 1 présente le cas du virus de la grippe. C’est un virus dont le génome viral
est formé de molécules d’ARN. Il infecte préférentiellement les cellules de l’épithélium
respiratoire qui expriment à leur surface l’acide sialique, récepteur spécifique du virus.
L’attachement de la particule virale à la membrane cellulaire conduit à l’endocytose de la
particule virale dans une vésicule intra-cytoplasmique puis les membranes virale et
vésiculaire fusionnent pour permettre l’entrée dans le cytoplasme de la capside virale
contenant l’ARN viral.
La nucléocapside est ensuite transportée dans le noyau. Les ARN messagers ainsi qu’un
nouveau stock d’ARN viral sont produits puis transférés dans le cytoplasme pour y être
traduits en protéines virales. Ces dernières s’assemblent avec l’ARN viral pour former de
nouvelles particules virales qui vont être libérées par bourgeonnement à la surface de la
cellule.
Doc. 1 : Cycle viral du virus de la grippe.
2. La cinétique d'apparition des réponses immunitaires antivirales
Les premiers symptômes de la grippe sont un accès de fièvre brutal, de la toux
associée à des maux de gorge et des courbatures liées à l’infection des cellules du
système respiratoire. Ils sont la conséquence de la réaction de défense de l’organisme
contre l’infection virale.
Lors d’une infection par le virus de la grippe, on constate que la quantité de virus
présent dans le sang augmente rapidement et est suivie immédiatement de
l’apparition des premiers symptômes de la réaction inflammatoire qui se
concentrent au niveau des muqueuses nasales et dans la gorge.
Lorsque la réaction inflammatoire est à son maximum (2 e et 3 e jour post-infection), on
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Cours : Exemple d'une infection virale
observe une diminution de la charge virale sanguine. Puis, au 6 e jour, apparaissent
les anticorps dont la quantité augmente progressivement. Ces anticorps deviennent
majoritairement des Immunoglobulines de type IgG. Elles vont ainsi être de forte
affinité pour les protéines virales.
Ces différents types de réponses immunitaires se traduisent aussi par une augmentation
du nombre de macrophages responsables de la phagocytose des agents pathogènes
avec ou sans l’intervention des anticorps (opsonisation). Le nombre de macrophages
atteint son maximum au 12 e jour post-infection puis diminue tandis que le nombre des
lymphocytes impliqués dans les réponses immunes tardives et spécifiques continue à
progresser pour ensuite se stabiliser au 24 e jour.
Dans le cas d’une infection virale, on voit se multiplier fortement les lymphocytes T8
cytotoxiques qui sont responsables de la mort des cellules infectées.
3. La présentation des antigènes viraux par les complexes
majeurs d'histocompatibilité
Il existe deux types de complexes majeurs d’histocompatibilité : le CMHI et le
CMHII (Document 2).
Doc. 2 : Structure moléculaire des complexes majeurs d’histocompatibilité.
Les molécules du CMH I sont formées de deux chaînes protéiques : une chaîne α
variable et une chaîne légère, la β2-microglobuline. Les molécules du CMH-II sont
formées de deux chaînes α et β.
Ces deux types de molécules ont la capacité de fixer des peptides antigéniques afin de
les présenter à la surface de la cellule aux récepteurs T. Les lymphocytes T CD8
reconnaissent les complexes CMHI / peptide alors que les lymphocytes T CD4
reconnaissent les complexes CMHII / peptide.
Les molécules du CMH I sont exprimées à la surface de tous les types cellulaires
nucléés tandis que les molécules du CMH II ne sont exprimées qu’à la surface des
cellules présentatrices de l’antigène (APC).
a. Présentation des antigènes par le CMH II
Suite à leur internalisation par les cellules dendritiques, les antigènes sont dégradés en
peptides qui se retrouvent localisés dans des vésicules intra-cytoplasmiques. Dans ces
mêmes vésicules se trouvent les molécules CMH II nouvellement synthétisées. Elles
vont fixer les peptides antigéniques puis être transportées à la surface cellulaire.
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Cette voie de présentation des antigènes est donc favorisée dans le cas d’agents
infectieux extracellulaires.
Dans le cas d’une infection virale, les particules virales peuvent être ingérées par les
macrophages et/ou cellules dendritiques (opsonisation). Les antigènes viraux peuvent
par ce biais être présentés associés au complexe majeur d’histocompatibilité de type II.
b. Présentation des antigènes par le CMH I
Lorsque l’agent infectieux est intracellulaire, il utilise la machinerie cellulaire pour
produire ses propres protéines. C’est le cas des virus.
Les protéines synthétisées par la cellule sont dégradées dans le cytoplasme par un
complexe protéique, le protéasome. Les peptides ainsi produits sont transloqués dans la
lumière du réticulum endoplasmique où a lieu la synthèse des molécules du CMH I. Le
complexe CMH I / peptide est ensuite transporté à la surface cellulaire.
La voie de présentation des antigènes viraux par le CMH I est donc favorisée
dans le cas d’une infection virale. Elle va permettre la destruction des cellules
infectées par les lymphocytes T cytotoxiques.
Les débris qui résulteront de cette lyse cellulaire seront ensuite ingérés et digérés par les
macrophages ce qui permettra la présentation des antigènes viraux par la voie du CMH II.
Doc. 3 : Les voies de présentation des antigènes viraux par le CMH dans une cellule
présentatrice de l’antigène.
4. La réponse humorale antivirale
Les lymphocytes B spécifiques des antigènes viraux sont activés et sécrètent de grandes
quantités d’IgG. Les immunoglobulines sont des molécules possédant la capacité
de se lier sur les antigènes en reconnaissant des séquences restreintes de
quelques acides aminés, les épitopes.
Les anticorps vont pouvoir agir de différentes façons pour enrayer l’infection virale :
• En se fixant sur certains épitopes des protéines d’enveloppe virales, ils
empêchent l’attachement de la particule virale à son récepteur cellulaire et bloquent donc
l’entrée virale.
• Ils facilitent l’ingestion/digestion des particules virales par les macrophages
qui possèdent à leur surface des récepteurs aux IgG (récepteurs Fc). C’est l’opsonisation.
Par cette voie, les antigènes viraux peuvent être présentés aux lymphocytes T CD4
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associés aux CMH II.
• Fixés à la particule virale, les anticorps recrutent des facteurs solubles, les molécules du
complément qui vont induire soit la lyse de la particule virale soit son ingestion par
les macrophages.
La détermination des épitopes reconnus par les anticorps induits lors d’une infection virale
participe au développement des stratégies vaccinales antivirales.
5. Un cas particulier : le VIH
Le VIH est un rétrovirus responsable du syndrome meurtrier de
l’immunodéficience acquise. Ce virus se transmet par voie sanguine, sexuelle et de la
mère à l’enfant notamment au cours de l’allaitement. Il n’existe aucun traitement efficace
à ce jour. Les thérapies mises en œuvre permettent de prolonger la vie des patients en
mettant en sommeil le virus dans l’organisme.
a. Le cycle viral
Le virus de l’immunodéficience humaine (VIH) est un rétrovirus dont le génome viral
est une molécule d’ARN. Il infecte préférentiellement les lymphocytes T CD4. La
molécule CD4 constitue le récepteur membranaire principal du virus. L’attachement de la
particule virale à la membrane cellulaire conduit à la fusion des membranes virale et
cellulaire et à l’entrée dans le cytoplasme de la capside virale contenant l’ARN viral (Doc.
4).
Ce dernier va être rétrotranscrit en ADN qui va ensuite migrer dans le noyau de la cellule
pour être intégré dans le génome de la cellule. Les gènes viraux se comportent alors
comme des gènes cellulaires. Ils sont transcrits puis traduits en protéines
virales. Ces dernières s’assemblent dans la cellule pour former de nouvelles particules
virales qui vont être libérées. Le lymphocyte T infecté n’est pas détruit et poursuit la
production de particules virales. Certaines protéines virales vont conduire à son
dysfonctionnement à l’origine de l’immunodéficience constatée chez les patients infectés
par le VIH.
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Doc. 4 : Cycle viral du VIH.
b. La cinétique d'apparition des réponses immunitaires antivirales
Lors d’une infection au VIH, quelque soit la voie de contamination on constate une
augmentation du nombre de lymphocytes T CD4 et T CD8 ainsi qu’une
augmentation rapide mais retardée du taux d’IgG spécifiques dans le sang. Une
réponse à médiation cellulaire est donc induite. On observe que la charge virale
diminue lorsque les réponses immunes atteignent leur maximum, ce qui suggère que la
réponse immunitaire spécifique permet de freiner la propagation virale dans un premier
temps (Doc. 5).
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Doc. 5 : Les réponses immunitaires induites par une infection au VIH.
L’infection par le VIH conduit ensuite à une diminution du nombre de lymphocytes T CD4
qui jouent normalement un rôle central dans la réponse adaptative. Si le patient ne suit
aucun traitement, la charge virale augmente et le nombre de lymphocytes T CD4 diminue.
La réponse adaptative n’est plus activée. Le nombre de lymphocytes T CD8 diminue ainsi
que la production des anticorps.
L'essentiel
Les virus se comportent comme des parasites obligatoires des cellules. Au cours du cycle
d’infection, ils injectent leur génome qui va s’exprimer comme n’importe quel gène
cellulaire. De cette façon, les antigènes viraux sont synthétisés dans le cytoplasme de la
cellule puis assemblés pour former de nouvelles particules virales qui vont être libérées
dans le milieu extérieur.
Lors d’une infection virale, c’est la voie Th1 à médiation cellulaire qui est
favorisée.
Les lymphocytes T cytotoxiques sont activés et agissent en détruisant les cellules infectées
qui expriment à leur surface le complexe CMHI/peptide antigénique.
La présentation des antigènes viraux par le CMHI est possible car les antigènes viraux
présents en grande quantité dans le cytoplasme sont dégradés par un complexe protéique,
le protéosome. Les peptides issus de cette dégradation sont ensuite transloqués dans la
lumière du réticulum endoplasmique pour y être associé au CMHI.
En parallèle, une réponse humorale spécifique est activée.
Les anticorps produits sont de type IgG et présentent une forte affinité pour les antigènes
viraux. Ils vont agir de différentes façons : opsonisation, lyse de la particule virale par les
molécules du complément, blocage de l’entrée du virus dans la cellule.
Ainsi, la réponse adaptative agit à différents niveaux pour enrayer une infection virale :
(i) lyse des particules virales circulantes,
(ii) élimination des particules virales par ingestion/digestion par les phagocytes,
(iii) blocage physique de l’entrée du virus dans ses cellules cibles,
(iv) destruction des cellules infectées.
La réponse mémoire joue un rôle important dans l’efficacité de cette réponse car elle
permet d’accélérer son apparition.
Dans le cas d’un virus comme le VIH, l’éradication virale est plus complexe puisque le
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Cours : Exemple d'une infection virale
virus s’attaque directement aux effecteurs de la réponse adaptative en altérant leur
fonction.
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Cours : Gradient et flux géothermiques
Gradient et flux géothermiques
Objectif(s)
La Terre présente une température moyenne de 15 °C, en partie due à l'énergie solaire
reçue et absorbée par la globe terrestre. Cependant on dénote également un flux
thermique dont l'origine est interne et qui se dirige vers la surface.
Qu'est ce que le flux géothermique et comment se caractérise le gradient géothermique
dans les profondeurs de la Terre ?
1. La dissipation de l'énergie interne et son origine
a. En surface, le flux géothermique
La dissipation de l'énergie interne du globe correspond au flux géothermique.
Il est établi entre l'intérieur chaud (≥ 3500 °C) et l'extérieur plus froid (≈ 15 °C).
La quantité de chaleur dissipée par la planète est en moyenne de 3.10 13 W.
Le flux géothermique varie selon le contexte géodynamique.
Il sera très élevé à l'aplomb des dorsales océaniques : la croute océanique étant de
faible épaisseur, le manteau chaud est proche de la surface.
A contrario, il sera faible au niveau des fosses des zones de subduction : flux faible
associé au plongement de la lithosphère âgée devenue dense.
On peut également trouver un flux géothermique élevé sur les continents, comme en
Alsace. Cette région se trouve dans un fossé d'effondrement qui présente une croûte
continentale amincie, rapprochant ainsi le manteau de la surface.
b. En profondeur, le géotherme
On enregistre une augmentation de la température au sein de la Terre en fonction de la
profondeur. La courbe représentative de cette température est appelée le géotherme.
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Cours : Gradient et flux géothermiques
Elle permet d'estimer la température à une profondeur donnée. Le géotherme
n'est pas uniforme au sein des différentes enveloppes du globe.
Au niveau de la croûte, le gradient géothermique est de 30 °C / km (soit dans la partie
superficielle de la croute de 3 °C / 100 m).
2. Les sources de chaleur interne
L'origine principale du flux géothermique provient de la désintégration des substances
radioactives contenues dans les roches.
Ces substances sont l'uranium 238 U, 235 U, le potassium 40 K et le thorium 232 Th (Tableau
1).
On remarque que c'est la désintégration de l'Uranium qui produit le plus de
chaleur.
Éléments
radioactifs
majeurs
Uranium
( 235 U et
238 U)
Thorium
( 232 Th)
Potassium
( 40 K)
Concentration dans les enveloppes
constitutives du globe (ppm)
Croûte
continentale
Croûte
océanique
Manteau Noyau
Production de
chaleur par
unité de
masse
(W.kg -1 )
1,6 0,9 0,015 10 -5 162.10 -6
5,8 2,7 0,08 10 -4 6,6.10 -6
25 000 4 000 200 1 4,8.10 -9
Tableau 1 : Énergie d'origine radioactive, concentration en éléments radioactifs de
chaque enveloppe terrestre. (1 ppm = 10 -6 kg par kg de roche).
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Cours : Gradient et flux géothermiques
L'énergie totale produite par désintégration d'éléments radioactifs est de 22,6.10 12 W
(Tableau 2).
On remarque que c'est le manteau qui libère le plus d'énergie : 68 % de l'énergie
totale libérée. Cela s'explique par son grand volume, même si les éléments radioactifs y
sont faiblement concentrés.
Croûte
continentale
Croûte
océanique
Manteau Noyau Total
Masse (en kg) 1,38.10 22 0,69.10 22 398.10 22 197.10 22
% de la masse
totale
Énergie produite
par la
désintégration
d'éléments
radioactifs (en TW
= 10 12 W)
% de l'énergie
totale
0,23 0,11 66,6 32,9
5,76 1,26 15,59 0,014 22,6
25,46 5,57 68,92 0,06
Tableau 2 : Énergie produite par les différentes enveloppes de la Terre.
Le flux thermique moyen de la planète est de 3.10 13 W, pour une superficie de la Terre de
510.10 6 km 2 , ce qui donne un flux moyen de 60 mW.m -2 .
Le flux thermique est variable : flux moyen des continents = 55,7 mW.m -2 , celui des
océans = 67 mW.m -2 .
Il existe d'autres sources d’énergie interne :
• la chaleur initiale : c'est le refroidissement des matériaux terrestres profonds qui
libèrent ainsi l’énergie accumulée pendant l’accrétion du globe produisant 1,23.10 13 W.
• la chaleur de différenciation : c'est l'énergie libérée par le changement d’état des
matériaux terrestres profonds, au niveau du noyau, les mécanismes de cristallisation du
noyau externe liquide en solide produisant 0,47.10 13 W.
L'essentiel
La Terre produit de la chaleur du fait de la désintégration des éléments radioactifs qui
composent ses enveloppes. Cette énergie se dissipe en surface à l'origine du flux
géothermique. Ce flux ne sera pas uniforme à la surface du globe ; plus le MOHO est
proche de la surface plus le flux sera important. L'homme exploitera cette énergie
inépuisable grâce à la géothermie.
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Cours : Histoire de la transformation de l'atmosphère
Histoire de la transformation de l'atmosphère
Objectif(s)
Comment la transformation de l’atmosphère de notre planète est-elle en lien avec le
développement de la Vie sur Terre ?
La planète Terre est une planète tellurique formée majoritairement de silicates
renfermant un noyau de fer et de nickel. Elle est entourée aujourd’hui d’une
atmosphère originale composée de 78 % de diazote (N 2), 21 % de dioxygène (O 2),
0,03 % de CO 2 et de quantités variables de vapeur d’eau.
D’autres planètes telluriques possèdent une atmosphère comme Mars et Vénus, de
composition bien différente : 95 % de CO 2 et 5 % de N 2.
La planète Terre se distingue des autres planètes du système solaire par la présence de
la Vie. Cette particularité peut avoir un lien avec l’originalité de la composition de
l’atmosphère terrestre.
1. Formation de l’atmosphère primitive
La Terre s’est formée il y a 4,5 Ga par accrétion.
Les impacts météoritiques libèrent une importante quantité d’énergie qui favorise la
fusion des roches. L’activité volcanique est très élevée et s’accompagne d’un dégazage
permettant la formation de la première atmosphère terrestre.
Sa composition est supposée proche de celle des gaz volcaniques actuels et des chondrites
(météorites indifférenciées), (voir Tableau 1).
Elles est donc très riche en vapeur d’eau et dioxyde de carbone. On note l’absence
de dioxygène.
Gaz volcaniques
actuels
H 2O CO 2 N 2 O 2
83 % 12 % 5 % 0 %
Gaz des chondrites 80 % 15 % 5 % 0 %
Tableau 1. Composition de la première atmosphère terrestre.
La surface de la Terre se refroidit progressivement. La vapeur d’eau atmosphérique se
condense et précipite à la surface de la planète. Les océans se forment.
La composition de l’atmosphère est alors modifiée : elle présente une forte
concentration en dioxyde de carbone. Une partie importante de ce dioxyde de carbone
se retrouve dissous dans l’eau des océans.
Le taux de dioxyde de carbone devait être alors de 60 à 70 %. C’est l’atmosphère
primitive (Doc. 1).
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Cours : Histoire de la transformation de l'atmosphère
Doc. 1 : Évolution de la composition de l'atmosphère.
Peu de roches témoins de ces conditions atmosphériques sont disponibles à la surface de
la Terre.
2. Passage de l’atmosphère primitive à l’atmosphère archéenne
Aujourd’hui, la majorité des minéraux sont oxydés.
Ils se sont formés dans une atmosphère riche en O 2.
Mais, certains paléosols révèlent la présence de minéraux réduits : les uraninites
(UO 2) et la sidérite (carbonate de fer) n’ayant pu se former qu’en présence d’une
atmosphère pauvre en O 2.
Une atmosphère de ce type s'est formée à partir de - 3,5 Ga. L’apparition du O 2 dans
l’atmosphère est tout d’abord dû à la photolyse de l'eau :
2 H 2O O 2 + 4H + + 4e - .
Mais c’est aussi la date de l’apparition de la Vie sur Terre. Ce sont des êtres vivants
rudimentaires, unicellulaires capables de se reproduire de façon autonome et d’utiliser
les molécules pour se nourrir.
Les stromatolites datant de - 3,5 Ga sont les témoins de cette vie. Ce sont des
roches calcaires, des constructions, formées de couches superposées de calcaires
précipités. Elles ont été construites par des cyanobactéries (« algues bleues ») qui
permettent la capture du CO 2 dans les roches sédimentaires de type carbonaté.
La photosynthèse est une réaction chimique qui permet aux êtres vivants d’utiliser le
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Cours : Histoire de la transformation de l'atmosphère
dioxyde de carbone pour produire la biomasse.
6 CO 2 + 6 H 2O + énergie lumineuse C 6H 12O 6 (glucose) + 6 O 2
Elle fait son apparition entre - 2,8 et - 2,4 Ga. Dans ce processus, le dioxygène est
rejeté dans le milieu de vie. Il s’accumule dans les océans avant de se diffuser dans
l’atmosphère.
On passe d’une atmosphère primitive sans dioxygène à une atmosphère
archéenne avec dioxygène.
3. Passage de l’atmosphère archéenne à l’atmosphère moderne
L’atmosphère moderne correspond à une atmosphère riche en dioxygène.
On voit apparaître des minéraux oxydés qui ne peuvent se former que dans un milieu
oxydant.
C’est le cas de l’hématite (Fe 2O 3) qui apparaît sous la forme de bandes rouges (Bed
Reds) en alternance avec des bandes de silice dans les faciès les plus classiques. On
appelle ces gisements de minerais de fer : les fers rubanés (ou Band Iron Formation).
Ces formations sont des roches sédimentaires qui se sont formées dans le fond des
océans. On décrit plusieurs gisements à la surface du globe. Ils sont datés de l’Archéen
(- 3,8 Ga) (ex. site de Barbeton au Sud de l’Afrique) ou du Protérozoïque Inférieur (-
2,5 à - 1,9 Ga). Cette alternance de minéraux oxydés et réduits aurait pu se former
lors de la transition atmosphère réduite / atmosphère oxydée.
Le Fe 2+ soluble qui provient de l’hydrothermalisme et du volcanisme sous-marin,
s’oxyde en Fe 3+ insoluble dans une eau devenue oxydante.
La photosynthèse pourrait être à l’origine de cette oxydation puisqu’elle libère du O 2.
Dans ces conditions, le O 2 est précipité et associé au Fe 3+ .
La formation des BIF se fait localement au niveau des sites où a lieu la photosynthèse,
les « oasis » photosynthétiques.
Au cours du Protérozoïque Inférieur, les gisements BIF deviennent abondants. Leur
formation serait due à une oxydation générale des océans.
À partir de - 2 Ga, les conditions oxydantes de l’atmosphère terrestre sont enregistrées
dans les sédiments marins et les paléosols (Document 2).
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Cours : Histoire de la transformation de l'atmosphère
Doc. 2. Les arguments pétrographiques de la transformation de l'atmosphère terrestre en
une atmosphère oxydante.
4. Évolution de l’atmosphère moderne
C’est au précambrien que la Vie sur Terre explose.
Le taux de dioxygène atmosphérique dépend de la tectonique. Une forte activité
volcanique associée à une dislocation des continents va être à l’origine d’une
augmentation du taux de CO 2 dans l’atmosphère ce qui va favoriser la
photosynthèse et une température de surface plus élevée (effet de serre).
Au carbonifère, on note une forte activité photosynthétique qui va permettre la
capture du CO 2 dans la biomasse. C’est durant cette période qu’elle est rapidement
enfouie mais n’est pas décomposée. La majorité des gisements pétrolifères se forme à ce
moment là.
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Cours : Histoire de la transformation de l'atmosphère
Doc. 3. Évolution de la composition de l'atmosphère terrestre en O 2 et CO 2.
La composition de l’atmosphère moderne correspond à celle de l’atmosphère actuelle.
La présence de dioxygène est directement liée à la Vie sur Terre.
L'essentiel
La Terre possède aujourd’hui une atmosphère originale puisqu’elle contient du dioxygène
(21 %) et une faible quantité de CO 2 (0,03 %).
L’étude des roches montre que cette composition a varié au cours des temps
géologiques.
Trois atmosphères différentes se sont succédé :
• L’atmosphère primitive : formée par le dégazage des volcans au début de l’histoire de
la Terre (- 4,5 à - 4 Ga). Elle est riche en vapeur d’eau et dioxyde de carbone. Au
cours du refroidissement de la planète, la vapeur d’eau précipite et forme les océans.
Cette eau entraîne avec elle une partie du CO 2 qui va se retrouver piégé dans les
premières roches sédimentaires de type carbonaté.
• L’atmosphère archéenne : elle montre l’apparition de dioxygène en faible
quantité probablement due à la photolyse de l'eau par les rayonnements solaires. Puis la
Vie apparaît (- 3,5 Ga) et enfin la photosynthèse (- 2,8 Ga). On retrouve les marques
de cette atmosphère dans des roches sédimentaires appelées uraninites qui se
forment en présence d’une atmosphère pauvre en O 2.
• L’atmosphère moderne : elle correspond à l’atmosphère actuelle. La transition
consiste en la transformation d’une atmosphère réductrice à une atmosphère
oxydante. Le O 2 produit par la photosynthèse va tout d’abord être piégé dans les
roches sédimentaires de type hématite (formation des BIF ou fers rubanés) puis il va
diffuser dans l’atmosphère. Ainsi, les roches qui se forment aujourd’hui sont toutes
constituées de minéraux oxydés. Les événements tectoniques qui animent la surface
de la Terre participent à la transformation de l’atmosphère en favorisant la
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Cours : Histoire de la transformation de l'atmosphère
photosynthèse (formation de marges passives) ainsi que l’activité solaire.
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Cours : L'ATP : production par fermentation
L'ATP : production par fermentation
Objectiff(s)
La synthèse d'ATP par la cellule est assurée par ses oxydations aérobies, c'est-à-dire grâce
à la respiration. Mais certaines cellules vivent en absence d'oxygène et peuvent également
oxyder leurs molécules organiques pour produire de l'énergie : c'est la fermentation.
Comment se déroule-t-elle ? En quoi est-elle différente de la respiration ?
Un exemple va illustrer ce thème : la fermentation alcoolique.
1. La fermentation alcoolique
En absence d'oxygène, les cellules peuvent oxyder leurs nutriments pour produire de
l'énergie.
Les levures restent un matériel d'expérimentation intéressant : en effet, en présence
d'oxygène elles respirent, tandis qu'en absence d'oxygène elles réalisent la fermentation
alcoolique.
Si on cultive des levures dans un milieu anaérobie en présence de glucose, on constate
rapidement un dégagement de CO 2 et la formation d'un alcool, l'éthanol C 2H 5OH.
C'est Pasteur qui, le premier, en 1858 a démontré que les levures sont des agents de la
fermentation.
a. Etapes de la fermentation alcoolique
• La première étape correspond à la glycolyse comme pour la respiration : le glucose est
oxydé en pyruvate, de l'ATP est directement formé et deux molécules d'accepteurs R sont
réduites en RH 2.
Le bilan de la glycolyse est rappelé ici :
Le glucose est oxydé en pyruvate et l'accepteur R est réduit.
• En absence d'oxygène, le pyruvate ne pénètre pas dans la mitochondrie et
continue à être oxydé dans le hyaloplasme.
Le but est de restaurer les accepteurs R dans le hyaloplasme, étant donné que la chaîne
respiratoire ne fonctionne pas.
• Le passage du pyruvate à l'éthanol se fait en 2 étapes. Le pyruvate est tout d'abord
décarboxylé en éthanal :
Puis l'éthanal est réduit en éthanol ce qui permet de réoxyder le RH 2 en R ; cette
réaction d'oxydoréduction est la suivante :
La synthèse d'ATP par couplage ne peut pas se faire ici, seuls les accepteurs sont
régénérés afin que glycolyse et fermentation puissent se poursuivre.
b. Bilan global
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Cours : L'ATP : production par fermentation
Le bilan global est :
Finalement, le bilan en terme d'ATP formé se limite aux 2 ATP issus de la glycolyse, soit
un rendement énergétique de 2 % au lieu des 40 % lors de la respiration. Le reste
d'énergie se trouve dans les molécules d'éthanol.
La fermentation alcoolique correspond à une oxydation très incomplète du glucose,
avec une production de molécules encore riches en énergie.
Il est à noter qu'il existe d'autres types de fermentation non décrites ici : la fermentation
lactique chez l'homme par exemple, ou bien la fermentation acétique.
2. Production d'ATP chez les cellules eucaryotes
En fonction des conditions du milieu et de l'équipement en organites cellulaires, différents
mécanismes coexistent chez les cellules eucaryotes pour produire de l'énergie;
Chez les cellules végétales, respiration et photosynthèse coexistent : lors de la phase
photochimique de la photosynthèse, de l'ATP est produit afin de permettre le bon
déroulement de la phase non photochimique et les molécules organiques produites seront
dégradées lors de la respiration.
En absence d'oxygène ou lorsqu'il est à un taux insuffisant, les cellules (ex. : levures,
quelques cellules végétales) réalisent la fermentation alcoolique.
L'essentiel
En absence d'oxygène, la cellule de levure oxyde de façon très incomplète ses molécules
de glucose : un déchet riche en énergie se forme, l'éthanol, et la quantité d'ATP produit se
limite aux 2 ATP issus de la glycolyse.
Le rendement énergétique de la fermentation est environ 20 fois inférieur à celui de la
respiration.
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Cours : L'ATP : production par respiration
L'ATP : production par respiration
Objectif(s)
Pour se produire de l'énergie, la cellule dégrade des molécules organiques et procède
progressivement, étape par étape, avec de nombreux composés intermédiaires. La suite
de réaction qui permet d'aller d'une molécule à une autre est une voie métabolique.
Une voie métabolique connue est la respiration. Elle correspond à l'oxydation complète de
molécules telles le glucose.
Où se déroule-t-elle ?
Quelles sont les différentes étapes permettant d'oxyder le glucose ?
1. Conversion de l'énergie des nutriments en ATP
Les cellules vivantes oxydent leurs molécules organiques afin de produire de l'énergie.
Des observations et expériences réalisées sur des levures montrent que celles-ci
respirent : si on leur fournit du glucose, elles consomment de l'oxygène, produisent du
CO 2. Ces réactions de dégradation ont un rendement énergétique positif avec production
de molécules d'ATP.
La respiration consiste en la dégradation totale d'un métabolite en présence d'O 2.
Elle aboutit à la formation de substances minérales CO 2 et H 2O sans valeur énergétique :
on dit qu'il y a minéralisation complète.
Dans le cas du glucose, la réaction globale est :
Les levures sont des cellules eucaryotes qui possèdent des mitochondries : ces organites
sont les « centrales énergétiques » de la cellule, ils sont le siège de la respiration.
2. La mitochondrie
• C'est un organite spécialisé présent dans les cellules eucaryotes animales et
végétales, chez les champignons.
• La mitochondrie a la forme d'un petit bâtonnet d'environ 1 nm de largeur et de longueur
variable.
Elle est délimitée par deux membranes : une membrane externe lisse et une
membrane interne qui présente de nombreux replis appelés crêtes
mitochondriales.
À l'intérieur se trouve la matrice et l'espace entre les deux membranes est l'espace
intermembranaire (environ 10 nm de large).
La matrice est une sorte de gel dans lequel on trouve, entre autre, de nombreuses
enzymes de la respiration, une molécule particulière, le pyruvate, et des molécules d'ATP.
Le glucose ne peut pas pénétrer dans la mitochondrie alors qu'il est présent dans le
hyaloplasme. La membrane interne mitochondriale possède les protéines de la chaîne
respiratoire.
Quelles sont les différentes étapes permettant la dégradation totale du glucose ?
3. Oxydation complète du glucose
a. La glycolyse
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Cours : L'ATP : production par respiration
La dégradation du glucose débute dans le hyaloplasme de la cellule par une série de
réactions : la glycolyse.
Cet ensemble de 10 réactions permet de produire, à partir d'une molécule de glucose à
6 atomes de carbone (C 6H 12O 6), 2 molécules de pyruvate à 3 C (CH 3-CO-COOH).
Cette voie métabolique ne consomme pas d'oxygène, comprend plusieurs réactions
catalysées chacune par une enzyme spécifique avec de nombreux intermédiaires. Une
étape est importante : elle correspond à une réaction de déshydrogénation catalysée
par une déshydrogénase.
Le composé déshydrogéné perd de l'hydrogène, il est oxydé, et les atomes d'hydrogène
sont pris en charge par un accepteur R qui est réduit en RH 2. Cette réaction de
déshydrogénation est une réaction d'oxydo-réduction.
Le bilan énergétique de la glycolyse correspond à la formation de 2 ATP..
Le bilan de la glycolyse est le suivant :
Le glucose est oxydé en pyruvate et l'accepteur R est réduit.
b. Dégradation du pyruvate
Le pyruvate pénètre ensuite dans la matrice mitochondriale pour être entièrement oxydé
sous l'action de différentes enzymes dont des décarboxylases et des
déshydrogénases : il y a libération de CO 2, production d'ATP et des accepteurs
d'hydrogène R' sont réduits en R'H 2.
Le bilan global est :
c. Au niveau de la chaîne respiratoire
La quantité totale d'ATP directement formé est faible car la majeure partie a été stockée
dans les accepteurs réduits RH 2 et R'H 2.
C'est la chaîne respiratoire qui va récupérer cette énergie pour la synthèse d'ATP.
Cette chaîne est un ensemble de protéines et de molécules incluses dans la membrane
interne mitochondriale, qui peuvent prendre en charge des électrons et des protons
(hydrogène = électron + proton) : ce sont des transporteurs.
Les accepteurs réduits RH 2 et R'H 2 vont donc transférer leurs électrons et protons à cette
chaîne respiratoire : ceux-ci vont passer de transporteur en transporteur (réactions
d'oxydo-réduction) jusqu'à un accepteur final, O 2, qui sera réduit en H 2O.
C'est ce gradient de protons et d'électrons qui va fournir l'énergie nécessaire à la synthèse
d'ATP (à partir d'ADP + Pi) grâce à une ATP synthétase localisée elle aussi dans la
membrane interne.
Les 10 R'H 2 + 2 RH 2 sont donc réoxydés en 10 R' et 2 R, et il y a production totale de 32
ATP.
Le bilan est :
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Cours : L'ATP : production par respiration
Le bilan énergétique de l'oxydation complète du glucose est de 36 molécules
d'ATP, soit un rendement proche de 40 % (c'est-à-dire que 40 % de l'énergie chimique de
la molécule de glucose est utilisable par la cellule, le reste étant perdu sous forme de
chaleur).
L'essentiel
L'oxydation aérobie du glucose est une source d'énergie considérable pour la cellule.
Elle se déroule en plusieurs étapes, dont la glycolyse dans le hyaloplasme, la dégradation
du pyruvate dans la matrice et la réoxydation des accepteurs réduits au niveau de la
chaîne respiratoire.
Le rendement énergétique de la respiration est remarquable.
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Cours : L'ATP : utilisation
L'ATP : utilisation
Objectif(s)
Les cellules ont des morphologies, des structures et des rôles différents, mais leur
fonctionnement de base est le même. L'une des principales activité de la cellule est sa
survie.
L'ATP est justement une molécule indispensable à la vie de la cellule.
Qu'est-ce que l'ATP ? A quoi sert cette molécule au sein de la cellule ?
1. Quelques notions de base
Une cellule doit trouver l'énergie nécessaire à son fonctionnement : celle-ci est
principalement obtenue par dégradation de molécules organiques, c'est le catabolisme.
Elle doit également fabriquer les molécules de base (glucides, lipides et protides) : ce sont
les réactions d'anabolisme.
L'ensemble constitue le métabolisme cellulaire.
Les réactions de dégradation sont dites exoénergétiques car elles libèrent de l'énergie et
les réactions de synthèse sont dites endoénergétiques car elles en consomment :
l'énergie des premières réactions permet la réalisation des réactions de synthèse.
Ceci n'est possible que si un intermédiaire est capable d'emmagasiner cette énergie et
de la restituer selon les besoins : les molécules d'ATP jouent ce rôle d'intermédiaire.
2. La molécule d'ATP
L'ATP (adénosine triphosphate) est un composé énergétique de la cellule.
Cette molécule est composée :
• d'une base azotée : l'adénine ;
• d'un pentose (sucre) : le ribose ;
• de 3 groupements phosphate.
L'ensemble adénine et ribose est l'adénosine.
Ce sont les liaisons entre les groupements phosphate qui sont riches en énergie. Leur
hydrolyse s'accompagne de la libération d'énergie :
L'énergie libérée est de 31 kJ/mole à 25° C et 42 kJ/mole à 37° C.
L'hydrolyse de l'ATP est couplée à une autre réaction qui, en acceptant le groupe
phosphate libéré, a son potentiel énergétique qui va augmenter.
Les deux réactions sont couplées avec transfert d'énergie d'une molécule à l'autre.
Dans une cellule, les « réserves » en ATP sont très faibles, or l'ATP est consommé en
permanence : il faut donc qu'il soit reconstitué aussi vite qu'il est utilisé. On considère que
chez l'homme, au repos, environ 40 kg d'ATP sont constitués et utilisés tous les jours.
La synthèse d'ATP est une réaction endoénergétique couplée à une réaction
exoénergétique :
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Cours : L'ATP : utilisation
3. Utilisation de l'ATP
Les cellules dépensent de l'énergie pour accomplir différentes fonctions biologiques : le
renouvellement de leurs molécules, leur croissance, l'activité cellulaire, etc.
Certaines réalisent de nombreuses synthèses chimiques et effectuent un travail chimique,
d'autres se déplacent (les mouvements cellulaires ou cyclose), se contractent, se
déforment et accomplissent un travail mécanique, tandis que d'autres effectuent des
travaux plus complexes.
Parmi les activités cellulaires consommatrices d'énergie, on peut citer la synthèse du
glycogène.
Le glycogène est un polymère de glucose ((C 6H 10O 5) n). C'est une forme de réserve du
glucose chez les animaux. Il est stocké au niveau hépatique et musculaire. Le nombre
d'unités glucose peut varier de 5 000 à 30 000.
La synthèse de glycogène correspond à des réactions de polymérisation du glucose, c'est
une réaction qui consomme de l'ATP. Inversement, son hydrolyse permet de relibérer du
glucose en fonction des besoins de l'organisme.
Un autre exemple est la contraction musculaire.
4. La contraction musculaire
Les muscles striés ou rouges sont insérés sur les os et portent le nom de muscles
squelettiques ; ils permettent les mouvements de l'organisme.
Ils sont fixés sur les os par le biais de tendons résistants.
a. Structure et ultrastructure d'un muscle
• Un muscle est un ensemble de fibres musculaires regroupées en faisceaux (+
vaisseaux sanguins + fibres nerveuses).
Chaque fibre est une cellule géante de plusieurs centimètres de long (avec un diamètre
de 10 à 100 nm). Elle présente une membrane (ou sarcolemme), un cytoplasme riche en
mitochondries, en éléments de réserve ainsi qu'en éléments particuliers propres à la
fibre : les myofibrilles. Elle a la particularité de posséder plusieurs noyaux, jusqu'à 100
par cellule.
• Les myofibrilles sont constituées de faisceaux de filaments protéiques allongés
présentant une succession régulière de disques clairs (bandes claires ou bandes I), et de
disques sombres (bandes sombres ou bandes A).
Chaque bande I est divisée en 2 parties par une strie : la strie Z. Chaque bande A
comprend une partie centrale plus claire, la bande H, au centre de laquelle apparaît la
bande M plus dense.
L'espace entre deux stries Z consécutives est le sarcomère. Chaque myofibrille est ainsi
formée d'une succession d'unités répétitives qui sont les unités contractiles de la fibre.
L'alternance des disques sombres et clairs est la même pour toutes les myofibrilles d'une
même fibre musculaire : ceci donne une striation transversale caractéristique et une
striation longitudinale due à la disposition des myofibrilles les unes à côté des autres.
• Chaque myofibrille est composée de deux sortes de myofilaments protéiques : des
filaments fins d'actine (+ troponine et tropomyosine) et des filaments plus épais de
myosine.
Un myofilament de myosine contient environ 200 molécules de myosine constituées
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Cours : L'ATP : utilisation
chacune d'une « tige » et de deux têtes globuleuses. Les têtes servent de sites de liaison
pour les filaments d'actine. Chaque myofilament d'actine est composé de deux filaments
d'actine enroulés l'un autour de l'autre (la tropomyosine sert à consolider l'ensemble) : ils
portent des sites de liaison pour la myosine.
b. Intervention de l'ATP dans la contraction musculaire
Les sites de fixation de la myosine sur l'actine deviennent disponibles : les têtes de
myosine se fixent et forment un angle de 45° avec l'axe du filament de myosine. Le
complexe actine-myosine formé est capable de récupérer l'énergie libérée par hydrolyse
de l'ATP : une ATP se lie avec la tête de myosine, le complexe actine-myosine se
dissocie, la tête de myosine hydrolyse l'ATP en ADP + Pi.
Ceci permet une rotation de la tête de myosine qui s'oriente perpendiculairement à
l'axe du filament de myosine : la tête porteuse d'ADP se lie à l'actine, l'ADP est libéré et la
tête de myosine pivote de nouveau pour former un angle de 45° par rapport à l'axe.
Il s'opère alors un glissement des filaments fins d'actine entre les filaments de
myosine.
Ce cycle attachement-pivotement-détachement peut se produire environ 5 fois/s.
Les conséquences sont les suivantes :
• le sarcomère raccourcit (bandes claires plus courtes) ;
• le muscle se contracte.
L'énergie libérée par hydrolyse d'ATP est convertie en énergie mécanique avec
dégagement de chaleur.
L'ATP est indispensable à la rupture du complexe actine-myosine et son hydrolyse permet
de nouveau la formation du complexe. Si on bloque l'hydrolyse, alors la contraction ne
peut plus se faire.
L'essentiel
L'ATP est un intermédiaire énergétique indispensable à la vie cellulaire. La contraction
musculaire consomme de l'ATP, celui-ci étant indispensable aux interactions moléculaires
entre les filaments d'actine et de myosine.
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Cours : L'effet de serre
L'effet de serre
Objectif(s)
Comment la composition de l’atmosphère terrestre peut-elle influencer le climat global de
la planète ?
La Terre est une planète originale au sein du système solaire, c’est la seule où les
traces de Vie sont évidentes. La présence de l’eau sous ses trois états (solide,
liquide, gazeux) a été déterminante pour l’apparition de la Vie.
L’état de l’eau dépend de deux paramètres physiques : la température à la surface de
la planète et la pression qu’il y règne. La température dépend de la position de la
planète par rapport au Soleil tandis que la pression dépend de la densité des gaz
atmosphériques.
Si on compare la température de surface des planètes et satellites du système solaire, on
constate que cette température est supérieure à celle calculée en fonction de la distance
au Soleil pour la Terre, Mars et Mercure. Il s’avère que la température réelle à la
surface de la Terre est de + 15 °C alors qu’elle devrait être de - 18 °C.
Planète Mercure Vénus Terre Mars Jupiter Saturne Uranus Neptune
Distance au
soleil
(en millions de
km)
Température
théorique
(en °C)
Température
réelle
(en °C)
58 108 150 228 778 1427 2871 4497
+140 +30 -18 -60 -175 -180 -220 -230
+140 +470 +15 -50 -175 -195 -220 -230
Parmi les 4 planètes telluriques du système solaire, la Terre fait partie de celles qui
possèdent une atmosphère avec Mars et Vénus.
Planète Mercure Vénus Terre Mars
Masse volumique (en g. cm -3 ) 5,4 5,3 5,5 3,9
Présence d'une atmosphère - + + +
Pression atmosphérique (en
hPa)
2.10 -9 9.10 4 10 5 6
Cette atmosphère semble donc jouer un rôle dans la détermination de la température de
surface.
1. La composition de l'atmosphère terrestre et sa dynamique
naturelle
La densité de l’atmosphère d’une planète dépend de la masse de cette même
planète qui détermine sa gravité.
La nature des molécules de gaz qui vont être retenues autour de la planète va être définie
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Cours : L'effet de serre
par cette gravité. Plus elle est importante, plus les gaz retenus ont une masse
moléculaire faible.
Planètes Vénus Terre Mars
Pression atmosphérique
par rapport à la P. atmos. terrestre
Composition de
l'atmosphère
(en %)
Température moyenne
de surface (en °C)
Température moyenne
théorique (en °C)
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93 1 1/140
CO 2 93 0,03 95
N 2 3 78 5
0 2 - 21 -
H 2O 0,1 1 à 3 traces
470 15 -50
30 -18 -60
Dans le cas de la planète Terre, les gaz comme le dihydrogène ou l’hélium sont trop légers
pour être retenus. L’atmosphère se compose donc de gaz plus lourds comme le diazote
(78 %), le dioxygène (21 %), le dioxyde de carbone (0,03 %), la vapeur d’eau
(variable en fonction de la latitude) et d’autres gaz rares.
Les principaux gaz composant l’atmosphère terrestre sont recyclés en permanence et ne
séjournent pas définitivement dans cette enveloppe.
a. Le cycle de l'azote
Le diazote est le composant principal de l’atmosphère terrestre.
Il va être fixé dans la biosphère et permettre la fabrication des molécules
organiques. Cette fixation est rendue possible par la transformation du N 2 en azote
assimilable par les êtres vivants (nitrification). Lorsque les êtres vivants meurent, la
matière organique est décomposée. Au cours de la réaction de dénitrification, l’azote
retourne dans l’atmosphère sous la forme de diazote.
b. Le cycle du carbone
Le carbone existe sous deux formes :
• le carbone minéral sous la forme de CO 2 gazeux dans l’atmosphère ou dissous dans
l’eau et de carbonates dans les roches sédimentaires (lithosphère) ;
• le carbone organique servant de squelette aux molécules organiques (biosphère). On
le retrouve aussi fossilisé dans les roches carbonées de la lithosphère.
Le plus grand réservoir de carbone est la lithosphère (roches sédimentaires).
Il va être restitué à l’atmosphère lors des éruptions volcaniques sous la forme de CO 2. Il
sera échangé entre l’air et l’eau des océans par simple diffusion.
Lieu
Roches sédimentaires :
• Carbonates (roches
sédimentaires)
• Roches carbonées (charbon,
pétrole)
Hydrosphère :
surtout océans et eaux profondes
Quantité (en
Gt)
30 millions
7 millions
39 000
Forme
Minérale (CaCO 3)
Organique (CHO...)
Dissoute
(CO 2 ; HCO 3 ;
CO 3 2- )
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Cours : L'effet de serre
Atmosphère 750 Gazeuse (CO 2)
Biosphère
surtout dans le sol et les végétaux
2 000 Organique
En milieu aérien (surface des continents), il participe à l’altération des minéraux
(silicates et carbonates) qui sont emportés dans les océans où il va être précipité sous la
forme de carbonates.
Le carbone est aussi échangé entre l’atmosphère, l'hydrosphère et la biosphère au
cours de la photosynthèse et de la respiration.
c. Le cycle de l'oxygène
L’oxygène est présent dans l’atmosphère sous la forme de dioxygène et de dioxyde de
carbone. Le dioxygène est un gaz essentiel à la vie des êtres vivants. Ce gaz n’est
présent que dans l’atmosphère terrestre. Il est utilisé au cours de la respiration
comme comburant pour produire l’énergie chimique.
Certains êtres vivants, les bactéries et végétaux chlorophylliens réalisent la
photosynthèse au cours de laquelle les molécules organiques sont produites à partir
d'eau, de dioxyde de carbone et d'énergie solaire. Au cours de cette réaction, du
dioxygène est rejeté dans l’atmosphère.
Les cycles du carbone et du dioxygène sont étroitement liés lors de la
photosynthèse et de la respiration.
d. Le cycle de l'eau
À la surface de la Terre, l’eau est présente sous ses trois états :
• à l’état solide : dans les calottes glaciaires et les glaciers ;
• à l’état liquide : dans les océans et sur les continents (fleuves, étangs, nappes
phréatiques, …) ;
• à l’état gazeux : dans l’atmosphère (vapeur d’eau).
État de l'eau Réservoir naturel
Liquide
Océans, mers, fleuves, rivières, lacs,
eaux souterraines, etc...
Solide Calottes glacières, glaciers.
Gazeux Atmosphère
La quantité de vapeur d’eau dans l’atmosphère varie en fonction de la latitude. Elle va
dépendre du niveau d’évaporation des océans qui est le plus important à l’équateur.
La dynamique de ces cycles naturels permet de maintenir constante la
composition en gaz de l’atmosphère et conduit à la température de + 15 °C.
Parmi ces gaz, certains présentent des propriétés qui favorisent l’augmentation de la
température, on les appelle les « gaz à effet de serre ».
2. Caractéristiques des gaz à effet de serre
L’effet de serre dépend de la capacité de certains gaz présents dans l’atmosphère à
absorber les rayonnements infrarouges alors qu’ils sont transparents au rayonnement
visible.
La capacité d’absorption d’une molécule dépend de sa structure. Les molécules
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Cours : L'effet de serre
triatomiques (H 2O, CO 2, CH 4, O 3, N 2O, …) sont très absorbantes alors que les
molécules diatomiques (O 2, N 2) le sont peu (Doc. 1).
Doc. 1 : Profils d'absorption des rayonnements solaires par différentes molécules.
On constate que les gaz naturellement présents dans l’atmosphère sont des gaz à
effet de serre : la vapeur d’eau ainsi que le dioxyde de carbone.
L’ozone (O 3) est normalement présent dans la troposphère. Ce gaz se forme lors de la
photolyse du dioxygène. Il joue un rôle essentiel dans la Vie sur Terre puisqu’il absorbe
les rayonnements ultraviolets. Il absorbe aussi les rayonnements infrarouges.
D’autres gaz sont des gaz à effet de serre. Ils ne sont pas naturellement présents dans
l’atmosphère mais injectés par les rejets des activités humaines. C’est le cas entre
autres du méthane (CH 4) et du protoxyde d’azote (N 2O) ainsi que l’ozone.
Le document 2 résume le principe de l’effet de serre tel qu’on peut le mettre en évidence à
la surface de la planète Terre.
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Cours : L'effet de serre
Doc. 2 : Principe de l’effet de serre (IR : Infrarouges, GES : Gaz a effet de serre).
Les rayonnements solaires traversent l’atmosphère pour venir réchauffer la surface
de la planète. Une partie est réfléchie en direction de l’espace notamment par les
nuages formés de cristaux de glace en haute altitude. L’autre partie de l'énergie
solaire est absorbée par la surface de la Terre et est réémise en direction de
l’atmosphère sous la forme de rayonnements infrarouges (IR).
Cette absorption n’est pas la même partout sur le globe. Elle dépend du pouvoir
réfléchissant du sol. Notamment, elle est quasiment nulle au niveau des pôles où
l’albédo est le plus élevé à cause de la calotte glaciaire (très réfléchissante).
Les gaz à effet de serre présents dans l’atmosphère absorbent les rayonnements
infrarouges émis par la surface et émettent en retour des rayonnements IR qui
viennent réchauffer une seconde fois la surface de la planète.
Grâce à ce processus, la température réelle à la surface de la Terre est de + 15 °C au lieu
de - 18 °C prévus.
L’effet de serre est donc un phénomène indispensable au maintien de la Vie sur
Terre et est déterminant pour le climat global de la planète. Il dépend de la
quantité de GES dans l’atmosphère.
Aujourd’hui cette quantité varie sous l’influence des activités humaines.
3. Influence des activités humaines sur l'effet de serre
À la fin du 19 e siècle, l’ère industrielle va bouleverser l’équilibre des cycles naturels
régulant la composition en gaz de l’atmosphère.
L’industrialisation qui utilise comme source d’énergie les roches fossiles (charbon,
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Cours : L'effet de serre
pétrole) favorise le rejet de gaz à effet de serre dans l’atmosphère, notamment le CO 2.
Ce dernier est aussi produit lors de la déforestation et de la production de ciments.
L’utilisation croissante des engrais au cours du 20 e siècle, favorise en plus la
libération dans l’atmosphère de N 2O (dénitrification des sols) qui apparaît 200 fois
plus efficace que le CO 2 dans le mécanisme de l’effet de serre.
Le méthane est lui aussi un puissant gaz à effet de serre : 25 fois plus puissant que le
CO 2. Les émissions de méthane ont fortement augmenté depuis 2006. Elles résultent de la
libération des réserves initialement piégées dans le sous-sol de l’Arctique
(permafrost) sous l’effet de la fonte accélérée des glaces. Il est également libéré par les
micro-organismes responsables de la décomposition de la matière organique dans les
décharges et par l’estomac des mammifères.
Ces gaz ont une durée de vie relativement longue dans l’atmosphère, ce qui explique
leur accumulation.
Lors d’expéditions en Antarctique en 1985, les scientifiques réalisent des carottages dans
la glace au niveau de la station Vostok. Ils démontrent qu’il existe une corrélation
étroite entre les températures moyennes et la teneur en gaz à effet de serre.
Cette corrélation est vérifiée sur 400 000 ans.
Aussi, il apparaît évident que l’augmentation de la quantité de gaz à effet de serre
dans l’atmosphère terrestre a un impact sur le climat global de la planète.
Depuis 1988, le Groupe Intergouvernemental sur l’Évolution du Climat (GIEC)
s’intéresse aux changements climatiques.
4. Évolution du climat et effet de serre
Le climat définit les conditions atmosphériques dans une région donnée sur une
période donnée. Il varie donc au cours du temps d’une région à une autre à la
surface de la Terre.
Plusieurs facteurs participent à la définition du climat d’une région comme l’inclinaison
de la Terre par rapport au Soleil qui aura un impact sur l’angle d’incidence des
rayonnements solaires à une latitude donnée. Ce paramètre va influencer la
dynamique des masses d’airs qui vont participer à la redistribution de l’énergie
solaire à l’échelle planétaire. Le climat peut aussi dépendre des courants océaniques
et/ou des éruptions volcaniques.
Depuis 1850, on observe une augmentation globale de la température de surface
que l’on attribue à une augmentation des gaz à effet de serre dans l’atmosphère.
On estime qu’en un siècle (1906 à 2005), l’augmentation moyenne est de 0,74 °C avec
une accélération de cette augmentation à partir de 1976 (+ 0,19 °C par décennie).
Ce réchauffement global se répercute avec un décalage de quelques années sur les océans
dont la température augmente aussi, perturbant ainsi les courants marins.
La modélisation de l’évolution des climats dans le futur doit tenir compte de plusieurs
facteurs :
• la durée de vie dans l’atmosphère des GES (100 ans pour le CO 2, 10 ans pour le
CH 4),
• la dynamique des fluides à la surface de la planète (océans et masses d’airs) qui
vont redistribuer l’énergie à l’échelle de la planète.
Quel que soit le scénario prévisionnel proposé par le GIEC, on prévoit de manière
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Cours : L'effet de serre
générale, une augmentation de la quantité de CO 2 et donc une augmentation de la
température moyenne globale du fait, entre autres, du développement industriel des
pays émergents comme la Chine et l’Inde.
La fonte des glaciers continentaux et des banquises vont conduire à une augmentation
du niveau de la mer.
On prévoit que les écarts thermiques entre les saisons et les continents seront
moins marqués. Le cycle de l’eau sera perturbé avec une accélération du cycle
évaporation / précipitation. Certaines catastrophes naturelles, comme les cyclones
et les ouragans, seront alors plus fréquentes sur certaines zones.
Les zones climatiques tropicales vont se déplacer vers les pôles. La banquise Arctique
disparaîtra en été d’ici quelques décennies. Les courants marins tels que le Gulf Stream
seront affaiblis, ce qui aura un impact sur le climat en Europe et en Amérique du Nord.
Il existe donc un lien entre l’évolution des climats et les gaz à effet de serre
présents dans l’atmosphère. Les climats sont déterminants pour la survie des
espèces dont l’espèce humaine puisqu’ils déterminent les conditions du milieu de vie.
L’agriculture qui sert à nourrir la population humaine est directement dépendante des
conditions climatiques.
Si rien n’est fait, on envisage que certaines régions du monde ne pourront plus nourrir
leur population d’ici quelques décennies.
L'essentiel
L’atmosphère terrestre joue un rôle fondamental dans le maintien de la Vie sur
Terre. Elle présente une composition en gaz originale puisqu’elle contient du
dioxygène, indispensable à la respiration des êtres vivants, et d’autres gaz comme la
vapeur d’eau et le dioxyde de carbone.
L’effet de serre est indispensable à la Vie sur Terre. Il conduit à une température
de surface réelle supérieure à la valeur théorique : + 18 °C au lieu de - 15 °C. Dans
ces conditions, l’eau peu exister à l’état solide, liquide et gazeux, ce qui constitue
une autre particularité de notre planète.
Il a été démontré que la température de surface de la planète était directement
corrélée avec la teneur de l’atmosphère en GES. La composition chimique de
l’atmosphère terrestre est régulée par des cycles naturels qui conduisent au recyclage
permanent de ces composants. Ces derniers circulent en équilibre entre ces différentes
enveloppes : la biosphère, la lithosphère, l’hydrosphère et l’atmosphère.
Depuis le début de l’ère industrielle, ces cycles sont déséquilibrés, ce qui conduit à une
accumulation de certains gaz dans l’atmosphère comme le CO 2 ou d’autres gaz
anthropiques (issus de l’activité humaine) comme le CH4, le N 2O ou l’O 3 qui sont des gaz
à effet de serre puissants.
On note une élévation inquiétante de la température de la surface de la planète
qui conduit à des dérèglements climatiques perceptibles à l’échelle humaine : fonte des
calottes glaciaires, perturbation du cycle de l’eau, modification des courants marins,
augmentation du niveau des mers.
Ces changements vont conduire à une perturbation régionale des conditions du
milieu et donc modifier les écosystèmes des espèces animales et végétales dont
l’Homme dépend pour se nourrir.
On envisage que certaines régions du monde auront de plus en plus de mal à subvenir aux
besoins alimentaires de leurs populations, notamment pour les régions qui n’ont pas
les moyens de développer une politique de prévention.
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Cours : L'effet de serre
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Cours : L'Homme créateur de nouvelles plantes
L'Homme créateur de nouvelles plantes
Objectif(s)
Les paysans ont toujours cherché à modifier les plantes cultivées, grâce à des
croisements entre variétés présentant des caractères à intérêt : plus résistants,
produisant plus de matière, etc...
Depuis le milieu du 20 e siècle, on peut également améliorer les variétés végétales
grâce à des manipulations génétiques.
On cherche à savoir comment obtenir de nouvelles variétés de plantes qui n'existent pas
dans la nature.
1. La sélection génétique des espèces par croisement
Le but est d'obtenir une vigueur hybride : des races pures aux performances
remarquables.
a. Principes de la sélection génétique
Les variétés végétales diffèrent par de nombreux caractères. Chaque caractère est
déterminé par un gène et chaque gène peut exister sous plusieurs versions appelées
: allèles.
Plusieurs combinaisons sont possibles, pour 2 allèles considérés :
• lorsque les deux allèles du gène sont identiques : l’individu est dit « homozygote »
pour ce gène ;
• lorsque les deux allèles sont différents : l’individu est dit « hétérozygote » pour ce
gène.
Dans le cas des hétérozygotes, si un seul allèle s’exprime, on dit que cet allèle est
DOMINANT, l’autre, celui qui ne s’exprime pas, est dit RÉCESSIF.
Si les deux allèles s’expriment, ils sont CO-DOMINANTS.
Pour faire de la sélection génétique par croisement, il faut que le caractère désiré
soit de préférence dominant et que l'individu utilisé pour le croisement soit lignée pure,
c'est à dire homozygote pour ce caractère.
b. Obtention des hybrides par croisement
Lors de la sélection génétique par croisement, on utilise des individus parents de
lignée pure qui présentent chacun un caractère d'intérêt, d'un point de vu agroalimentaire.
On espère ainsi obtenir des descendants appelés génération F1, des
hybrides ayant hérités des caractères de chacun des 2 parents ; on parle de «
vigueur hybride ». Ces hybrides n'existent pas naturellement.
Exemple des Tomates.
Certaines variétés sont petites (g) mais résistantes aux attaques des champignons
(R) et d'autres sont grosses (G) mais sensibles aux attaques des champignons (r).
On veut obtenir une variété de tomates hybrides qui soit à la fois grosse (G) et
résistante aux champignons (R).
Pour cela, on croise nos 2 variétés naturelles, à conditions qu'elles soient de lignée
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Cours : L'Homme créateur de nouvelles plantes
pure et que les caractères d'intérêt soient homozygotes dominants.
On obtient une génération hybride F1 homogène, c'est à dire que 100 % des F1
présentent la vigueur hybride attendue.
Doc. n° 1 : Création d'une nouvelle variété de tomate
On obtient donc un hybride très intéressant d'un point de vue agro-alimentaire.
Ces manipulations ont permis de multiplier les rendements par 6 en 60 ans.
L'inconvénient est que ces hybrides sont des hétérozygotes, ce ne sont pas des
lignées pures et la plupart ne peuvent se reproduire et fournir de nouvelles graines
pour les années suivantes.
Pour conserver ces caractères d'intérêts, l'agriculteur est donc obligé d'acheter des
nouveaux plants tous les ans.
2. La sélection génétique des espèces par manipulations
génétiques
L'utilisation de ces techniques a révolutionné le 20 e siècle. Elles permettent d'obtenir des
variétés génétiquement identiques qui possèdent les mêmes propriétés d'intérêt à
partir d'un seul individu sélectionné pour ses qualités remarquables.
Ces techniques permettent de s'affranchir de la reproduction sexuée et donc des
croisements sélectifs, c'est donc un gain de temps (plus besoin d'attendre la formation
des appareils reproducteurs, fécondation etc...).
De plus, cela permet le partage de caractères entre des variétés qui, naturellement, ne
pourraient pas se croiser (par exemple des variétés séparées géographiquement).
a. La transgénèse
C'est une technique moderne qui permet essentiellement de modifier des plantes de
cultures.
C'est le transfert d'un gène d'intérêt (végétal ou bactérien) dans le génome de
l'espèce végétale que l'on va cultiver.
On obtient ainsi des OGM : Organisme Génétiquement Modifiés, produisant un nouveau
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Cours : L'Homme créateur de nouvelles plantes
caractère.
Exemple du maïs.
On voudrait créer une variété de maïs pouvant lutter naturellement contre les
insectes, pour éviter l'ajout manuel de pesticides, coûteux et polluant.
Pour cela, on a récupéré le gène permettant la synthèse d'une protéine pesticide
chez une bactérie, puis on l'a inséré par transgénèse dans le génome d'une variété
de maïs.
On a ainsi pu créer une nouvelle variété de maïs produisant ses propres pesticides.
Doc. n° 2 : Création d'un Maïs OGM par transgénèse.
On pourrait également produire des plantes moins coûteuses en eau ou encore avec
des qualités alimentaires remarquables (exemple : plus de gluten pour le blé).
Inconvénients : nous n'avons pas encore assez de recul sur ces manipulations
génétiques pour affirmer ou non si elles ont un impact sur la santé humaine. Donc,
même si les potentialités sont infinies et permettraient de grandes avancées en
matière d'agriculture, il faut rester prudent sur leur utilisation.
b. Le clonage végétal ou bouturage
Cette technique consiste en l'obtention d'un ou plusieurs individus à partir d’une
cellule d’un individu d’origine. Tous seront identiques génétiquement.
Cette technique est très utile pour pérenniser un individu aux performances
remarquables.
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Cours : L'Homme créateur de nouvelles plantes
C’est un mode de multiplication végétative très utilisé à l'état naturel par certains
végétaux.
Il a été repris par l'Homme pour produire à l'identique et en grande quantité certains
végétaux à intérêts alimentaires. Chaque individu donne naissance à un nouvel
individu (= individu issu du plant mère) à partir d'un organe ou d'un fragment
d'organe isolé (tige, racine).
L'essentiel
Doc. n° 3 : Le clonage végétal de la pomme de terre.
La sélection génétique des espèces végétales va permettre à l'Homme de créer de
nouvelles plantes qui n'existeraient pas naturellement. L'Homme influe donc de cette
manière sur la biodiversité spécifique végétale.
Le but est de créer des plantes ayant un intérêt remarquable d'un point de vue
agro-alimentaire. On peut parler d'une domestication des plantes.
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Cours : L'immunité adaptative
L'immunité adaptative
Objectif(s)
Comment est déclenchée l’immunité adaptative ?
L’immunité adaptative est la seconde ligne de défense de l’organisme.
Sa mise en place est retardée puisqu’elle survient seulement 4 jours après le contact
avec l’agent pathogène.
Elle fait intervenir les lymphocytes B et T qui jouent un rôle central dans cette immunité.
Les lymphocytes B produisent des anticorps ; ils sont responsables de la réponse
humorale.
Les lymphocytes T sont responsables de la réponse cellulaire. Ils sont de deux types :
les lymphocytes T auxiliaires (ou helper Th) et les lymphocytes T cytotoxiques.
Les cytokines vont servir de médiateurs entre ces différents lymphocytes et permettre
la coordination de la réponse immunitaire qui est spécifique de l’agent infectieux ;
on parle de coopération cellulaire.
1. Le lieu de production et de maturation des lymphocytes
LES ORGANES LYMPHOIDES PRIMAIRES
a. La moelle osseuse
Les cellules impliquées dans la défense de l’organisme sont toutes issues de
cellules souches pluripotentes localisées dans la moelle osseuse.
Sous l’effet de différentes cytokines, ces cellules souches vont se différencier en
précurseurs lymphoïdes ou précurseurs myéloïdes.
Les précurseurs myéloïdes vont donner naissance aux cellules de la lignée
phagocytaire (polynucléaires neutrophiles -PNN-, monocytes, macrophages, cellules
dendritiques) tandis que les précurseurs lymphoïdes vont donner naissance aux
lymphocytes B, T et « natural killer ».
Les cellules de la lignée myéloïde qui se retrouvent au premier rang lors d’une
réponse immunitaire vont migrer par voie sanguine jusqu’aux tissus alors que les
cellules de la lignée lymphoïde vont gagner les organes lymphoïdes où va avoir lieu
la maturation des lymphocytes.
b. Le thymus
Les lymphocytes T immatures (pro-thymocytes) migrent jusqu’au thymus. Là, ils
vont subir une première sélection qui va permettre d’éliminer les lymphocytes
capables de reconnaître spécifiquement les antigènes du soi. Ils gagnent ensuite
les organes lymphoïdes secondaires où aura lieu la maturation de la réponse
adaptative.
LES ORGANES LYMPHOIDES SECONDAIRES
Les organes lymphoïdes secondaires sont répartis partout dans l’organisme. On
compte les amygdales, les végétations, les ganglions lymphatiques, la rate et les
plaques de Peyer au niveau de l’intestin grêle. Ils sont reliés entre eux par le système
lymphatique.
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Cours : L'immunité adaptative
C’est dans les organes lymphoïdes secondaires qu’a lieu la rencontre entre
l’antigène et les lymphocytes. Les lymphocytes naïfs sont véhiculés par le sang
jusqu’aux organes lymphoïdes secondaires alors que les antigènes provenant du site
infectieux circulent par les vaisseaux lymphatiques.
2. Les étapes du déclenchement de l'immunité adaptative
Dans le tissu infecté, la réaction inflammatoire a été induite. Des macrophages
sécrètent des chimiokines et cytokines qui vont permettre aux cellules dendritiques
de venir sur le site. Là elles internalisent l’agent infectieux puis regagnent la
circulation sanguine pour rejoindre les organes lymphoïdes secondaires.
a. Maturation de la réponse T auxiliaire
Les cellules dendritiques sont capables de présenter à leur surface les antigènes
étrangers par l’intermédiaire de complexes protéiques : le complexe majeur
d’histocompatibilité de type II.
Ce complexe associé à un peptide antigénique va être reconnu par les récepteurs T
(TCR) présents à la surface des lymphocytes T auxiliaires caractérisés par la
molécule CD4 (Cluster Differenciation 4).
Lorsque le recepteur TCR présente une affinité suffisante pour le complexe CMHII /
peptide antigénique, le lymphocyte T est activé.
Il se multiplie activement et se différencie en lymphocyte T auxiliaire mature. On parle
de sélection clonale.
Les lymphocytes T CD4 ainsi activés vont sécréter des cytokines qui vont intervenir
dans l’activation et le maintien de la réponse adaptative (Document 1 et 2).
b. Maturation de la réponse T cytotoxique
La majorité des types cellulaires expriment à leur surface le complexe majeur
d’histocompatibilité de type I.
Ce dernier permet la présentation de peptides antigéniques à la surface des cellules.
Le complexe CMHI / peptide antigénique est reconnu spécifiquement par le
recepteur TCR des lymphocytes T cytotoxiques caractérisés par la molécule CD8.
De la même façon, les lymphocytes T CD8 présentant une affinité suffisante pour le
complexe CMHI / peptide antigénique sont activés et se multiplient selon un mode
de sélection clonale (Document 2).
Ils ont la capacité de se lier aux cellules présentatrices de l’antigène et d’induire
leur lyse. Ils sont très efficaces dans l’élimination des cellules infectées par un
virus.
c. Maturation de la réponse B
Les lymphocytes B immatures expriment à leur surface des immunoglobulines
membranaires de type IgM.
Elles sont capables de reconnaître les antigènes solubles et de se fixer à la surface
des micro-organismes. La liaison IgM membranaire / antigène induit un signal
d’activation intracellulaire qui va conduire à la prolifération clonale du lymphocyte
B et à la maturation de l’affinité des anticorps (Document 1).
Les anticorps deviennent alors solubles et sont de type IgG. Les lymphocytes B se
différencient en cellules productrices d’anticorps à forte affinité : les plasmocytes.
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Cours : L'immunité adaptative
Les anticorps vont intervenir en renforçant l’action des acteurs de l’immunité innée
par opsonisation. Les IgG se fixent à la surface des microorganismes ou des molécules
étrangères solubles. Ils sont ensuite reconnus par des récepteurs spécifiques des
IgG présents à la surface des phagocytes ce qui va conduire à l’ingestion puis la
digestion des agents pathogènes.
d. Mise en place d’une réponse mémoire cellulaire
Quand les lymphocytes T et B sont activés lors d’un premier contact avec
l’antigène, une fraction des cellules va évoluer en lymphocytes mémoire.
Ces lymphocytes sont de type B mémoire et T CD8 mémoire. Ils ont acquis la capacité
de reconnaître l’antigène rencontré avec une forte affinité.
Ils vont jouer un rôle important si l’organisme rencontre de nouveau le microorganisme
pathogène.
Ils circulent en permanence dans l’organisme et sont capables de s’activer au contact
de l’agent pathogène. Ainsi, la réponse adaptative est plus rapide pour éliminer
spécifiquement l’agent infectieux.
La vaccination repose sur ce principe. Elle permet d'avoir une réponse immunitaire
spécifique plus rapide lors d’un contact avec l’agent pathogène.
3. La coopération cellulaire
La coopération cellulaire est indispensable pour l’activation de la réponse
adaptative.
Les lymphocytes T auxiliaires jouent un rôle central dans ce processus. Elle a lieu dans
les organes lymphoïdes secondaires.
a. Activation des lymphocytes B
Étape 1 : les lymphocytes T CD4 sont activés après avoir reconnu le complexe CMHII /
Peptide antigénique à la surface des cellules dendritiques.
Étape 2 : les lymphocytes B immatures reconnaissent l’antigène par l’intermédiaire
des IgM membranaires et l’internalisent (signal 1). Ils deviennent alors capables de le
présenter au sein du complexe CMHII à leur surface, aux lymphocytes T CD4 (signal 2).
Étape 3 : les lymphocytes T CD4 s’activent au contact des lymphocytes B et sécrètent
des cytokines qui vont activer spécifiquement les lymphocytes B et permettre la
production d’IgG solubles spécifiques de l’antigène (signal 3).
Étape 4 : les IgG sont libérées dans la circulation sanguine et vont agir au site
infecté (opsonisation).
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Cours : L'immunité adaptative
b. Activation des lymphocytes T cytotoxiques
Les cellules présentatrices d’antigène (APC) sont au centre de ce processus. Elles
vont présenter les peptides antigéniques d’une part aux lymphocytes T CD4 par
l’intermédiaire d’un complexe CMHII et d’autre part, aux lymphocytes T CD8 par
l’intermédiaire d’un complexe CMHI.
Ces interactions conduisent à la sécrétion de cytokines par l’APC qui vont activer
respectivement le lymphocyte T CD4 et le lymphocyte T CD8.
Une fois activé, le lymphocyte T CD4 va produire lui aussi des cytokines qui vont
activer le lymphocyte T CD8 qui va se différencier en lymphocyte T cytotoxique
capable de détruire spécifiquement les cellules infectées par le pathogène.
c. Activation des voies Th1 ou Th2
Il existe deux voies possibles de réponse adaptative :
• La voie à médiation humorale qui implique l’activation des lymphocytes B et l’action
des leucocytes type mastocytes ou éosinophiles.
• La voie à médiation cellulaire qui stimule préférentiellement les lymphocytes T
cytotoxiques et les macrophages.
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Cours : L'immunité adaptative
La nature de l’agent infectieux est déterminante pour le choix de l’une ou de
l’autre des voies.
Les infections virales et microbiennes intracellulaires stimulent la voie à médiation
cellulaire, facilitant l’élimination des cellules infectées.
Les allergènes et les parasites extracellulaires stimulent la voie à médiation
humorale qui va favoriser l’élimination des agents pathogènes par phagocytose. Cette
dernière voie est celle impliquée dans les réactions allergiques.
Il existe deux types de lymphocytes T CD4 :
• les lymphocytes Th1 qui sécrètent de l’interleukine 12 et de l’interféron g lorsqu’ils
sont activés par les APC ;
• et les lymphocytes Th2 qui sécrètent l’interleukine 4.
Les lymphocytes Th1 vont produire des cytokines stimulant la voie à médiation
cellulaire tandis que les lymphocytes Th2 produisent les cytokines impliquées
dans la voie à médiation humorale.
L'essentiel
Pour se défendre contre une infection, l’organisme développe deux formes d’immunité :
(i) l’immunité innée, première barrière de défense et commune à toutes les espèces,
(ii) l’immunité adaptative, seconde barrière de défense et propre aux vertébrés.
L’immunité adaptative est spécifique de l’antigène et est variable d’un individu à
l’autre.
Les acteurs principaux de l’immunité adaptative sont les lymphocytes B et T. Ils
sont issus de la lignée myéloïde qui se différencie dans la moelle osseuse.
Lors d’un contact avec un agent pathogène, les cellules dendritiques, sentinelles de
l’organisme, acheminent les antigènes jusqu’aux organes lymphoïdes secondaires.
Elles présentent aux lymphocytes T ces antigènes sous la forme de peptides associés
à deux types de complexes protéiques : le complexe majeur d’histocompatibilité de
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Cours : L'immunité adaptative
type I ou de type II.
Les lymphocytes T CD4 vont reconnaître les complexes CMHII / peptide
antigénique alors que les lymphocytes T CD8, les complexes CMHI/peptide
antigénique.
Les lymphocytes T CD4 sécrètent des cytokines qui participent à l’activation de la
réponse adaptative tandis que les lymphocytes T CD8 acquièrent la capacité de
reconnaître spécifiquement les cellules infectées afin de les détruire par lyse.
Les lymphocytes B spécifiques de l’antigène sont sélectionnés par l’intermédiaire
d’immunoglobulines membranaires de type IgM.
Le lymphocyte B est alors capable de présenter l’antigène au lymphocyte T CD4 via
un complexe CMHII / peptide antigénique. Le lymphocyte T CD4 sécrète des
cytokines qui vont permettre l’activation des lymphocytes B et leur différenciation
en plasmocytes, cellules spécialisées dans la production d’immunoglobulines.
Les lymphocytes T CD4 jouent donc un rôle central dans la stimulation de la réponse
adaptative. La nature du pathogène va orienter le type de réponse :
(i) une réponse à médiation cellulaire dans le cas d’une infection par un virus ou un
micro-organisme intracellulaire ;
(ii) une réponse à médiation humorale dans le cas d’allergènes ou de parasites
extracellulaires.
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Cours : L'immunité innée
L'immunité innée
Objectif(s)
Comment notre organisme se protège-t-il face à une agression ?
Quels sont les barrières naturelles ?
Quelles cellules entrent en jeu lors d'une infection et quels sont les mécanismes mis en
place ?
Dans son environnement, notre organisme est soumis en permanence à des facteurs
pouvant perturber son fonctionnement :
- des agents infectieux tels que les microorganismes pathogènes (bactéries,
champignons, virus, …)
- des facteurs physiques ou chimiques venant altérer l’intégrité de notre
patrimoine génétique et pouvant conduire au développement de tumeurs (UV, produits
chimiques...)
Il existe des moyens de se protéger de ses agents agressifs environnementaux :
- se laver les mains ou stériliser le matériel médical permettant de limiter la
contamination (pénétration des agents infectieux dans l’organisme). C’est l’asepsie.
- désinfecter une plaie afin de limiter le risque d’infection (prolifération des agents
infectieux dans l’organisme). C’est l’antisepsie.
Parfois, ces mesures préventives et curatives ne suffisent pas. Un agent infectieux a réussi
à passer les barrières de l’organisme.
1. Caractéristiques des barrières naturelles de l’organisme
Les barrières naturelles de l’organisme protègent le milieu intérieur de l’organisme des
agressions de son environnement. Ce sont la peau et les muqueuses.
a. La peau
La peau est un épithélium imperméable qui entoure la surface externe de l’organisme. Elle
constitue une barrière mécanique empêchant l’entrée des bactéries, des virus et de
certains parasites. À sa surface, certaines bactéries inoffensives constituent une barrière
biologique.
Associées à la peau, certaines glandes sécrètent des substances acides, comme la
sueur, qui ont une fonction antiseptique. Ces substances constituent une barrière
chimique.
La moindre plaie constitue un point d’entrée potentiel pour les agents infectieux.
b. Les muqueuses
Les muqueuses sont formées de cellules épithéliales qui tapissent l’intérieur des
organes en contact avec des substance provenant du milieu extérieur. Il s’agit des
poumons (en contact avec l'air), du tube digestif (en contact avec les aliments), des
appareils urinaires et génitaux (en contact avec un partenaire).
Elles forment elles aussi une barrière mécanique étanche. En outre, elles sécrètent un
mucus permettant d’englober les agents infectieux et de les éliminer. Les cils
vibratiles présents à leur surface facilitent leur élimination.
L’ensemble des informations est résumé dans le tableau suivant :
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Cours : L'immunité innée
Mécaniques
Chimiques
Biologiques
Peau
Intestin
Muqueuses
Appareil génital
/ urinaire
Épithélium continu
Flux d'air ou de liquide Mouvements ciliaires
Acides
gras
pH acide Mucus Surfactant
Enzymes
Flore bactérienne
normale
2. Le passage des barrières naturelles
a. Les voies de contamination
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Poumon Yeux / Nez
Enzymes
(lysozymes)
Lors d’une contamination, l’agent infectieux arrive à passer une des barrières
naturelles.
Il existe plusieurs voies de contamination :
• la voie aérienne, par inhalation de particules contenant des agents infectieux
(affections respiratoires, grippe) ;
• la voie digestive, lors de l’ingestion d’aliments contaminés (listériose, leishmaniose,
choléra, …) ;
• la voie sexuelle, (IST, Infections sexuellement transmissibles) ;
• la voie cutanée, lors d’une plaie ou d’une égratignure.
b. Mise en place d’une réponse immunitaire innée
Lorsqu’un agent infectieux arrive à passer une barrière naturelle, une première
ligne de défense de l’organisme se met en place contre la contamination.
Si on observe au microscope optique du pus issu d’une plaie infectée, on observe de
nombreux leucocytes entourés de bactéries. Ces leucocytes sont aussi appelés des
globules blancs, ce sont des cellules du système immunitaire produites dans la
moelle osseuse. On les retrouve dans le sang, la lymphe et les tissus conjonctifs de
notre organisme.
Il existe 3 types de leucocytes :
• Les granulocytes : composés en majorité de neutrophiles ou phagocytes qui
interviennent rapidement en cas d'infection bactérienne.
• Les lymphocytes : qui interviennent plus tard dans la réponse immunitaire adaptative.
• Les monocytes : qui sont essentiellement des macrophages.
Neutrophiles
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Cours : L'immunité innée
Granulocytes
Basophiles
Eosinophile
Lymphocytes Lymphocytes
Monocytes
Monocytes
Macrophage
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Cours : L'immunité innée
Les granulocytes et monocytes sont recrutés très tôt au cours de la réponse
immunitaire innée (dans les quatre premières heures) et restent fonctionnels 4 jours, ils
pratiquent ce que l'on appelle la phagocytose.
Les macrophages expriment à leur surface des récepteurs capables de reconnaître de
nombreux constituants bactériens. Les agents infectieux se fixent à la surface des
macrophages ce qui stimule la production de cytokines et de chimiokines. Puis, les
macrophages ingèrent et digèrent les agents infectieux.
Ils préparent aussi la réponse immunitaire adaptative en présentant l'élément
pathogène aux lymphocytes.
3. La spécificité de la réponse immunitaire innée
a. La spécificité des récepteurs cellulaires
La réponse immunitaire innée est induite immédiatement après la reconnaissance
du pathogène.
Les récepteurs impliqués dans cette reconnaissance présentent des particularités qui les
distinguent des récepteurs de la réponse immune adaptative :
• Ils sont exprimés à la surface de différentes cellules types : les macrophages, les
cellules dendritiques, les mastocytes...
• Ils sont codés par des gènes simples ne subissant aucun réarrangement
génique. Leur spécificité est donc héréditaire et ne s’affine pas lors de contacts
successifs avec le pathogène. Ils sont tous les mêmes au sein d'une même espèce.
• Ils reconnaissent des structures moléculaires conservées et que l’on trouve de
façon répétée à la surface des pathogènes et pas à la surface des cellules du soi.
Les récepteurs impliqués dans la réponse immunitaire innée sont de plusieurs types
:
• Les molécules du complément qui ciblent les composants de la paroi cellulaire des
bactéries. Elles sont solubles et facilitent la fixation du pathogène à la surface des
phagocytes : c’est l’opsonisation ;
• Les récepteurs « éboueurs » à large spectre (scavenger receptors) ;
• Les lectines ;
• Les récepteurs de la famille NOD ;
• Les récepteurs de la famille Toll.
Au site d'infection, les phagocytes sont activés au contact de l'agent infectieux. Ils
sécrètent des facteurs solubles :
• les molécules du complément qui participent à la destruction de l'agent pathogène
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Cours : L'immunité innée
par opsonisation ou lyse directe ;
• les cytokines qui participent à l'activation cellulaire ;
• les chimiokines qui permettent d'attirer les cellules dendritiques ; c'est le
chimiotactisme.
b. Les composants microbiens reconnus
On estime à environ 10 3 le nombre de structures différentes pouvant être
reconnues par le système immunitaire inné.
Elles présentent des caractéristiques communes :
• Elles ne sont produites que par les micro-organismes et pas par les cellules du soi ;
• Elles ne varient pas entre les micro-organismes d’une même famille ;
• Elles sont essentielles à la survie des micro-organismes.
La réponse immunitaire innée ne conduit à la mise en place d’aucune réponse
mémoire, par contre elle est indispensable pour l’activation de la réponse immune
adaptative.
Elle est commune à tous les animaux alors que l’immunité adaptative ne concerne que
les vertébrés.
L'essentiel
L’organisme est soumis en permanence aux agressions de notre environnement. Les
barrières naturelles telles que la peau ou les muqueuses constituent un premier
niveau de défense. Lorsque les agents pathogènes arrivent à franchir ces barrières,
c’est l’immunité innée qui intervient pour empêcher la propagation de l’infection.
Elle intervient localement par recrutement des phagocytes qui expriment à leur
surface des récepteurs permettant de reconnaître des motifs conservés
caractéristiques des micro-organismes. Ces motifs peuvent aussi être reconnus par des
récepteurs solubles (molécules du complément) qui vont faciliter la fixation des
pathogènes à la surface des phagocytes et leur internalisation / digestion. C’est
l’opsonisation.
Les gènes codant pour ces récepteurs sont conservés entre les espèces animales
et au cours de l’évolution. L’immunité innée est donc génétiquement héritée et ne
nécessite pas d’apprentissage préalable.
En plus d’être la première ligne de défense de l’organisme, l’immunité innée va aussi
permettre de stimuler la réponse immune adaptative.
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Cours : La conduction du message nerveux
La conduction du message nerveux
Objectif(s)
Connaître les caractéristiques structurales du neurone.
Comprendre les propriétés particulières de cette cellule à l'origine de l’élaboration et de la
propagation du message nerveux le long de la fibre nerveuse.
Un peu d’histoire
Dans l’histoire des neurosciences, comprendre que le système nerveux était constitué
de cellules distinctes reliées entre elles fut une étape décisive dans la compréhension
de son fonctionnement.
Un scientifique du 19 e siècle, Ramon y Cajal montra l’existence des neurones et leur
grande diversité dans l’organisme.
Pour cela, il utilisa une coloration particulière mise au point par Golgi (un médecin
Italien), qui permit de colorer l’intérieur des cellules. Ces deux chercheurs ont été
récompensés par le prix Nobel de physiologie en 1906.
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Cours : La conduction du message nerveux
1. Le neurone
Le neurone est constitué :
• d’un corps cellulaire où se trouve le noyau ;
• de dendrites qui reçoivent des informations. Ce sont ces prolongements qui
reçoivent les informations provenant d’autres neurones. En moyenne, on en compte
plusieurs milliers par cellule nerveuse (les schémas de neurone sont donc très
simplifiés par rapport à la réalité).
• d’un axone appelé également fibre nerveuse qui est un prolongement unique de la
cellule. Il peut être très long (de la taille de la jambe par exemple) et son rôle est de
conduire le message nerveux.
• De plusieurs terminaisons se terminant chacune par un bouton synaptique.
Selon le type de neurone, l’information est alors transmise soit à d’autres cellules
nerveuses : par des synapses neuro-neuroniques, soit à des fibres musculaires :
par des synapses neuromusculaires.
2. Enregistrer l'activité d'une fibre nerveuse
L’activité au niveau d’un neurone peut être étudiée à l’aide de micro-électrodes
réceptrices. Le signal capté est amplifié et envoyé vers un oscilloscope.
Une des micro-électrodes est laissée dans le milieu extracellulaire, l’autre est plantée
dans la fibre nerveuse.
Des expériences sont réalisées en utilisant des axones de calmar. Ce mollusque possède la
particularité d’avoir des neurones géants dont les fibres nerveuses ont un diamètre
pouvant mesurer 1 mm, faciles à utiliser en électrophysiologie.
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Cours : La conduction du message nerveux
Observation :
Tant que les deux électrodes se trouvent à l’extérieur de la fibre, la différence de potentiel
(ddp) visualisée sur l’écran de l’oscilloscope est égale à 0 mV.
Planter une des micro-électrodes dans la fibre entraîne une modification de la ddp. On
remarque qu’elle devient négative, environ - 70 mV.
Interprétation :
La membrane des cellules est polarisée, sa face interne est électronégative par
rapport à sa face externe. La différence de polarisation est de – 70 mV entre les deux
faces.
Remarque : Toutes les cellules de l’organisme montrent une différence de potentiel
membranaire. La spécificité des neurones vient de leur particularité à modifier cette ddp.
3. Le neurone, une cellule excitable
Au dispositif permettant de mettre en évidence le potentiel de repos (partie 2) est
ajoutée une électrode excitatrice capable de stimuler électriquement l’axone de
calmar à un point donné.
Une série de stimulations d’intensités croissantes est appliquée.
On constate que, si l’intensité de la stimulation est suffisante, un potentiel d’action
se déclenche.
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Cours : La conduction du message nerveux
Il constitue le signal nerveux élémentaire de la fibre nerveuse. Il consiste en une
dépolarisation transitoire de la différence de potentiel membranaire : la face
interne de la membrane de l’axone devient positive. Puis la différence de potentiel
retrouve la valeur qu’elle avait au repos : repolarisation.
4. Les propriétés de l’activité d’une fibre nerveuse
Quel que soit l’endroit de la fibre nerveuse où l'on enregistre un potentiel d’action, on
constate que le signal est toujours le même. De plus, son intensité reste identique
à partir du moment où la valeur du seuil de stimulation est franchie. C’est la loi du
tout ou rien.
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Cours : La conduction du message nerveux
Or, la cellule nerveuse doit être capable de propager des messages nerveux
d’intensités variables. On constate que plus l'information à transmettre est
intense, plus le nombre de potentiels d'action dans un temps donné sera
important.
Il s’agit donc d’un codage en fréquence de l’intensité du message nerveux.
L'essentiel
Le neurone reçoit des informations principalement au niveau de son corps cellulaire
ou de ses dendrites.
Suite à une stimulation d'intensité suffisante (au-dessus du seuil), il peut
transmettre un message nerveux à une autre cellule (neurone, muscle...).
L'activité élémentaire enregistrée au niveau de l'axone du neurone est appelée «
potentiel d'action ». Il consiste à une dépolarisation brève du potentiel
membranaire. Le potentiel d'action possède toujours les mêmes caractéristiques.
L'intensité de la réponse à des stimulations d'intensités variables se fait donc
grâce à un codage en fréquence des potentiels d'action.
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Cours : La conduction du message nerveux
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Cours : La disparition des reliefs
La disparition des reliefs
Objectif(s)
La collision de plaques continentales aboutit à la surrection d'une chaîne de montagnes,
les reliefs s'élèvent.
Sur Terre, on constate que plus les chaînes de montagnes sont âgées moins leur reliefs
sont élevés.
Nous chercherons à savoir par quels mécanismes ces reliefs disparaissent.
1. Evolution d'une chaîne de montagnes
Sur Terre, on distingue les montagnes récentes aux reliefs très élevés et les
montagnes anciennes aux reliefs aplanis.
En France, les montagnes jeunes sont les Alpes et les Pyrénées (80 à 60 millions
d'années) et les montagnes anciennes les Vosges et le Massif Armoricain (350 millions
d'années).
Les Alpes culminent à 4810 m, elles ont débuté leur formation il y a 65 millions d'années
alors que le Massif Armoricain atteint rarement 400 m (le point culminant étant 416 m le
mont des Avaloires en Mayenne) et s'est formé au Paléozoïque (ère primaire).
En profondeur, les chaînes récentes sont également caractérisées par une racine
crustale avec un MOHO profond pouvant atteindre 70 km de profondeur ; alors que
sous les montagnes anciennes le MOHO est moins profond et atteint 20 - 30 km de
profondeur.
De plus dans les chaînes anciennes, on observe à l'affleurement une plus forte
proportion de matériaux transformés et/ou formés en profondeur.
C'est le mécanisme d'érosion qui s'opère au cours du temps, qui contribue à l'effacement
des reliefs.
2. Altération et érosion contribuent à l'effacement des reliefs
a. Altération et érosion
Les reliefs s'effacent au cours du temps sous l'action des facteurs climatiques.
Les roches vont s'altérer, se fragmenter, changer de composition puis seront
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Cours : La disparition des reliefs
érodées principalement par le ruissellement de l'eau.
L'altération peut se faire :
• par la gélifraction : c'est l'action du gel et du dégel sur les roches qui les fait s'éclater
et se briser. C'est un phénomène dû à l'alternance de périodes glaciaires et interglaciaires
subites par la roche au cours des temps géologiques.
• par les glaciers : l'action mécanique des glaciers (glissements, avalanches) va user les
roches, modeler les paysages en creusant des vallées. Exemple : la mer de glace dans les
Alpes dont l'érosion creuse la vallée Blanche en forme de U.
• par l'action du vent qui creuse les roches (érosion éolienne).
• par l'action des racines des arbres qui fragmentent les roches en se frayant un
chemin.
• par l'eau : qui va user mécaniquement la roche suite à des précipitations répétées,
au passage des eaux de ruissellement et va également altérer chimiquement la roche
(altération par hydrolyse) en transformant les minéraux qui la compose, la rendant plus
fragile.
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Cours : La disparition des reliefs
Exemple le granite qui sous l'action de l'eau se transforme en sable appelé arène
granitique.
b. Les produits de démantèlement
L'eau de ruissellement, les torrents, les rivières, les fleuves, vont jouer un grand rôle dans
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Cours : La disparition des reliefs
l'érosion.
Le réseau hydrographique va transporter les produits de démantèlement issus de
l'altération des roches initiales.
Ces produits de démantèlement sont appelés "sédiments". Ils sont pour les plus petits
des ions, pour les plus gros des blocs rocheux, en passant par les graviers.
Ces matériaux vont ensuite s'accumuler et se déposer dans des bassins
sédimentaires, comme les lacs ou les océans.
Ces sédiments s'accumulent et vont former de nouvelles roches : les roches
sédimentaires.
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Cours : La disparition des reliefs
3. Des phénomènes tectoniques participent aussi à la dispartition
des reliefs
Une chaîne de montagnes jeune possède une racine crustale qui peut être très
profonde reposant sur la manteau terrestre.
Au fur et à mesure que la surface s'érode, le poids des roches est moindre et par le biais
d'une pression hydrostatique, la racine crustale remonte petit à petit : c'est le
réajustement isostatique.
La finalité d'une chaîne de montagnes est la pénéplanation, c'est à dire sa disparition
totale.
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Cours : La disparition des reliefs
Cependant l'érosion ne suffit pas pour expliquer la disparition assez rapide des reliefs.
S'opère également un effondrement de la chaîne de montagnes. La compression à
l'origine de sa formation étant terminée, la croute s'étire, s'amincit et se casse pour
finalement s'effondrer.
L'essentiel
Les chaînes de montagnes anciennes ont des reliefs moins élevés que les plus récentes.
Au cours du temps, les montagnes s'altèrent et s'érodent sous l'action de nombreux
facteurs. Les produits du démantèlement sont principalement transportés par l'eau pour se
déposer dans des bassins et former des roches sédimentaires.
L'ensemble de ces phénomènes débute dès la naissance du relief et constitue un vaste
recyclage de la croute continentale.
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Cours : La disparition des reliefs
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Cours : La dispersion des graines
La dispersion des graines
Objectif(s)
La pollinisation permet aux plantes de se reproduire. Une fois pollinisée la fleur
disparaît et laisse place à la formation du fruit qui contient les graines, résultat de la
fécondation. Les plantes ayant une vie fixée, ont développé des stratagèmes au cours
de l'évolution pour pouvoir disséminer leurs graines et assurer leur descendance et la
colonisation de nouveaux territoires.
Nous chercherons à savoir quels sont les différents modes de dispersion des graines
mis en place par les plantes.
1. De la fleur au fruit
Après avoir adhéré au stigmate, le grain de pollen produit un tube pollinique qui
s'enfonce dans le style jusque dans l'ovaire. Il atteint ainsi l'ovule contenu dans l'ovaire
et la féconde en lui intégrant son matériel génétique.
Doc. n° 1: de la fleur au fruit chez les Angiospermes.
Après cette fécondation, l'ovule se transforme en graine et l'ovaire en fruit qui
enveloppe la graine.
Le fruit permet la dissémination des graines. En général, le fruit mûrit au moment
où la graine qu'il contient achève son développement.
Les plantes ayant une vie fixée, elles ont développé au cours du temps différents
systèmes pour disséminer leurs graines et ainsi coloniser les milieux.
La maturation du fruit est indispensable, dans certains cas il devient plus mou, plus
sucré, odorant et souvent de couleur vive afin d'attirer les animaux. Cette
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Cours : La dispersion des graines
maturation assure le succès des plantes à fleur qui réside donc dans la collaboration
avec les animaux.
2. La dispersion des graines
a. Les différents modes de dispersion
Les fruits vont se développer et se transformer en fonction du mode de dispersion. Il
existe plusieurs modes de dispersion des graines.
• Dispersion des graines par l'eau : l'hydrochorie.
Ce mode de dispersion ne concerne pas uniquement les plantes aquatiques. Il s'agit
d'utiliser l'eau sous différents aspects, la pluie, le ruissellement, les inondations, les
courants marins...
Les graines à maturité tombent de l'ovaire ou sont expulsées et peuvent être ainsi
entraînées par l'eau.
Exemple : le lotus.
On dénote également 2 modes de dispersion par l'eau très spécialisés :
- l’ombrochorie qui consiste en la propagation des semences par
l’intermédiaire des gouttes de pluie, qui en tombant sur les plantes, dispersent les
graines par éclaboussures.
- la nautochorie : système de dispersion des graines par flottage sur
l’eau, notamment par les courants marins.
Exemple : la noix de coco qui a su conquérir toutes les plages tropicales et subtropicales
de la planète grâce à ce système.
• Dispersion des graines par le vent : l'anémochorie.
Les fruits développent des structures très spécialisées pour pouvoir voler grâce au
vent et parfois parcourir de nombreux kilomètres avant de retomber sur le sol. Les
fruits doivent être légers. Certains développent des systèmes de parachute comme
le pappus du pissenlit ou encore des hélices comme l'Érable (samare) ou autres
systèmes pour se déplacer comme des cerfs-volants.
Doc. n° 2 : Pappus de pissenlit et samare d'érable.
Cependant, la plupart des Angiospermes ont besoin des animaux pour disperser
leur graines.
• Dispersion des graines par les animaux : la zoochorie.
Ce mode de dispersion permet de disséminer les graines sur de longues distances et
de coloniser ainsi de nombreux milieux.
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Cours : La dispersion des graines
Il existe 3 modes de zoochorie :
- L’épizoochorie, qui consiste en un transport externe des graines qui peut
être volontaire ou pratiqué à l’insu d’un animal.
Dans le cas du transport à l'insu des animaux, les fruits présentent des structures
spécifiques que leur permettent de s'accrocher à la fourrure ou aux plumes des
animaux. Les fruits sont équipés de crochets qui permettent de se fixer à l'animal
lorsque celui passe à proximité de la plante.
Exemple : la bardane qui se fixe aux poils des chevreuils, et qui a inspiré les fixations
velcro.
Doc. n° 3 : Fruit de la Bardane.
Le transport peut être également volontaire, les animaux collectent les fruits et
les graines, les cachent pour pouvoir s'en nourrir plus tard. Souvent l'animal oubli la
localisation de certaines de ses cachettes et les graines peuvent germer : on parle de
dyszoochorie.
Exemple : l'écureuil, ou les oiseaux comme les pies et les geais collectent glands et
autres noisettes qu'ils cachent et oublient.
- La myrmécochorie : mode de dispersion des graines grâce aux fourmis.
Cette fois ce sont les graines elles-même qui sont dispersées. Elles vont présenter à
leur surface des substances riches en éléments nutritifs très appréciés des
fourmis. Ces dernières vont les collecter, les apporter dans la fourmilière, se nourrir de
la substance nutritive, puis vont expulser les graines hors du nid.
Exemple : le ricin, la violette sauvage, la sanguinaire ou encore le manioc.
Doc. n° 4 : Fruit de la sanguinaire.
- L’endozoochorie : mode de dispersion qui nécessite que le fruit soit ingéré
pour pouvoir être disséminé. Dans ce cas, les fruits sont charnus et attirent l'animal
qui les mange et rejette les graines dans ses fientes, au gré de ses pérégrinations.
Lors du passage dans le tube digestif de l'animal, le fruit est digéré, la graine est libérée et
reste intacte jusqu'à sa sortie dans les fientes.
Exemple : les cerises, les fraises, les mûres et autres baies ingérées par les oiseaux ou
certains mammifères.
b. Mise en évidence d'une relation plante / animal assurant la dissémination
Dans certains cas d'endozoochorie, la dissémination des graines ne peut se faire que
grâce à un animal disséminateur. En effet, même si certains fruits ne sont pas mangés
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Cours : La dispersion des graines
par les animaux, ils peuvent tomber au sol et les graines peuvent germer à proximité
de de la plante mère.
Mais dans le cas du gui, la dissémination par les oiseaux est indispensable.
C'est une plante épiphyte, c'est à dire qui ne peut pousser qu'en se posant sur une
autre plante ou arbre. Pour le gui, il pousse uniquement sur d'autres arbres, il a donc
besoin des oiseaux pour disséminer ses graines en hauteur, sur les branches des
arbres.
Son fruit est une baie blanche riche en sucre qui attire les oiseaux. Le disséminateur
du gui en Europe est surtout la Grive qui raffole de ces fruits.
Cette dernière ingère les fruits, digère la pulpe mais ne digère pas les graines ni la
substance visqueuse qui les recouvre : la viscine, qui crée un filament visqueux. Lorsque
les graines sont rejetées dans les fientes de la Grive en plein vol, les graines du gui
peuvent atterrir sur les branches d'un arbre et s'y fixer grâce aux filaments
visqueux qui entourent la graine.
L'essentiel
Doc. n° 5 : Fruit du gui et sa graine entourée de viscine.
À l'issu de la pollinisation, la fleur se transforme en fruits contenant des graines.
La dispersion des graines est nécessaire à la survie et à la dispersion de la
descendance de la plante.
Cette dispersion repose sur différentes stratégies mais souvent sur une
collaboration avec les animaux.
Cette collaboration disséminateur / plante est le produit d'une coévolution.
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Cours : La fécondation
La fécondation
Objectif(s)
Quelles sont les étapes de la fécondation ?
Quel brassage se réalise au moment de la fécondation ?
1. Mécanismes, cas d'un cycle monogénétique diplophasique
On dit qu'un cycle est monogénétique lorsqu'il ne possède qu'une phase :
haplophase (individu à n chromosomes) ou diplophase (individus à 2n chromosomes).
La plupart des animaux ont un cycle monogénétique diplophasique (phase diploïde
dominante), la phase haploïde ne concernant que les gamètes.
On trouve des cycles monogénétiques haplophasiques chez certains champignons.
La fécondation est la rencontre des gamètes (haploïdes) : l'ovule et le spermatozoïde.
La rencontre se fait le plus souvent dans les trompes de la femme, juste après
l'ovulation.
Comme nous sommes dans le cas d'un cycle diplophasique, la fécondation va permettre
de rétablir la diploïdie par la fusion de 2 gamètes haploïdes.
Les étapes de la fécondation sont les suivantes :
• l'entrée d'un spermatozoïde dans l'ovocyte (bloqué en métaphase 2 de méiose)
après la digestion partielle de l'enveloppe du gamète femelle ;
• l'ovocyte achève sa méiose et met en place la membrane de fécondation pour
empêcher l'entrée d'autres spermatozoïdes (cellule-œuf non viable) ;
• les noyaux femelle et mâle gonflent et forment les pronoyaux ou pronucléi, une
réplication d'ADN se produit dans chaque pronucléus ;
• la fusion des 2 pronuclei (on parle de caryogamie) a lieu avec la mise en commun des
chromosomes : c'est la formation d'une cellule-œuf diploïde ;
• la première division par mitose du zygote débute, la construction d'un nouvel
embryon peut commencer.
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Cours : La fécondation
2. La fécondation source de diversité génétique
La méiose permet de produire une grande variété de gamètes avec les
recombinaisons génétiques par crossing-over en prophase I (brassage
intrachromosomique) et la distribution aléatoire des différents chromosomes de
chaque paire en anaphase I (brassage interchromosomique).
Ainsi, un homme et une femme peuvent produire 2 23 spermatozoïdes ou ovules différents.
La fécondation permet de réunir de façon totalement aléatoire deux gamètes d'origine
différente, ceux-ci ayant un bagage génétique qui leur est propre.
Ainsi, le nombre de combinaisons différentes pour le zygote s'élève à : 2 23 × 2 23
= 2 46 =7 × 10 13 .
Soit plus de 70 000 milliards de cellules-œufs génétiquement différentes !
Plus le nombre de chromosomes et le nombre de gènes de l'espèce est élevé, plus le
nombre de combinaisons sera important.
L'essentiel
La méiose réalise un véritable brassage génétique au moment de la formation des
gamètes et la fécondation, en réunissant de façon aléatoire un gamète mâle et un gamète
femelle, amplifie largement ce brassage.
La reproduction sexuée a pour conséquence la variabilité et l'unicité des individus au sein
des populations.
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Cours : La fleur au service de la fécondation
La fleur au service de la fécondation
Objectif(s)
Comment s'organise une fleur et faire un diagramme floral.
Connaître les 2 types de fruits et comment quels organes de la fleur sont impliqués dans
leur formation.
Comprendre comment certains gènes sont impliqués dans le développement de la fleur.
La fleur est l'organe reproducteur des plantes.
Lorsque l'espèce est hermaphrodite la fleur contient à la fois les organes reproducteurs
mâle et femelle, à contrario lorsque l'espèce est dioïque, il existe des fleurs mâles et des
fleurs femelles.
Le fleur est le fruit de l'évolution des Angiospermes, elle permet le rapprochement des
gamètes entre les plantes ayant une vie fixée.
1. L'organisation florale
Un fleur s'organise en verticilles, chaque type d'organes qui composent une fleur est
inséré au même niveau, suivant un cercle ayant pour centre le centre de la fleur.
Une fleur hermaphrodite comprend 4 verticilles, 2 externes formant le périanthe
ayant un rôle protecteur et attracteur des pollinisateurs ; et 2 internes comprenant les
organes reproducteurs.
Pour représenter schématiquement l'organisation d'une fleur, on utilise un diagramme
floral. Il permet de positionner les différents verticilles et d'apporter quelques
informations supplémentaires grâces à un code universel (soudure, position, loges...).
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Cours : La fleur au service de la fécondation
Doc. 1 : Diagramme floral de la tomate.
De l'extérieur vers l'intérieur de la fleur on trouve :
- le verticille 1 : le calice formé par les sépales, souvent chlorophylliens, apparentés à
des petites feuilles mais peuvent parfois ressembler au verticille des pétales, exemple : la
tulipe ;
- le verticille 2 : la corolle formée par les pétales ;
- le verticille 3 : l'androcée qui est l'ensemble des étamines, organes reproducteur
composé d'un filet et d'une anthère, il produit les gamètes mâle : les grains de pollen ;
- Le verticille 4 : le gynécée ou pistil formé par les carpelles, organe reproducteur
composé d'un stigmate, d'un style et d'un ovaire, il produit les gamètes femelles : les
ovules. Ces derniers sont contenus dans l'ovaire qui s'organise en carpelles, c'est à dire
que les ovules sont regroupés dans une ou plusieurs petites loges.
Doc. 2 : Gynécée
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Cours : La fleur au service de la fécondation
2. De la fleur au fruit
Lors de la pollinisation les grains de pollen se déposent sur le stigmate humide. Les
grains de pollen germent et développent un tube pollinique qui s'enfonce dans le
style jusqu'à l'ovaire afin d'atteindre les ovules. Le tube pollinique permet la
fécondation des ovules en apportant le matériel génétique mâle. C'est ainsi que les
plantes fixées se reproduisent.
La fleur se transforme alors en fruit, plus exactement certaines parties de la fleur
vont disparaître comme les pétales ou les étamines et d'autres vont se développer
pour donner le fruit, comme l'ovaire. Les ovules fécondés vont se transformer en graines.
Si l'on regarde la tomate par exemple, on peut y observer les sépales et le pédoncule
(qui n'ont pas disparus) ainsi que la trace de l'ancienne position des styles.
Il existe 2 grands types de fruits : simples ou complexes, selon la position initiale de
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Cours : La fleur au service de la fécondation
l'ovaire.
Les ovaires supères vont développer des fruits simples comme la tomate, les
ovaires infères vont développer des fruits complexes comme le melon ou la pomme.
Dans le cas des fruits simples (tomate), le péricarpe est formé à partir des parois des
carpelles, on distingue l'épicarpe, le mésocarpe et l'endocarpe.
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Cours : La fleur au service de la fécondation
Dans le cas des fruits complexes, il est formé à partir à la fois des parois des
carpelles et de celle du conceptacle.
3. L'organisation de la fleur est contrôlée par des gènes du
développement
On étudie les mutants de gènes impliqués dans le développement et l'organisation
des verticilles de la fleur. On note V1 : les sépales, V2 : les pétales, V3 : les étamines et
V4 : les carpelles.
Mutant
Phénotype
V1 V2 V3 V4
Sauvage normal normal normal normal
Gène A anormal anormal normal normal
Gène B normal anormal anormal normal
Gène C normal normal anormal anormal
Gènes ABC anormal anormal anormal anormal
Observations :
L'individu sauvage, possédant les gènes A, B et C, développe normalement les quatre
verticilles.
Le mutant pour ces 3 gènes ne développe aucun verticille normal.
Le gène A semble nécessaire au bon développement des verticilles V1 et V2, le gène B aux
V2 et V3 et le gène C aux V3 et V4.
Conclusion :
On a pu mettre en évidence que le développement de la fleur était gouverné par des
gènes du développement : A, B et C, ils s'expriment de façon très localisée dans le
bourgeon floral contrôlant ainsi la différenciation des tissus du bourgeon en
verticilles.
Le développement des sépales (V1) est contrôlé par le gène A uniquement, le
développement des pétales (V2) par les gènes A et B, le développement des étamines par
les gènes B et C, et enfin le développement des carpelles par le gène C uniquement.
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Cours : La fleur au service de la fécondation
L'essentiel
Doc. 3 : Gènes du développement des verticilles.
Les fleurs sont les organes des plantes assurent leur reproduction. Elles sont composées
de 4 verticilles : sépales, pétales, étamines, carpelles.
Lors de la pollinisation les grains de pollen se déposent sur le stigmate humide. Les grains
de pollen germent et développent un tube pollinique qui s'enfonce dans le style jusqu'à
l'ovaire afin d'atteindre les ovules.
La fleur se transforme alors en fruit, plus exactement certaines parties de la fleur vont
disparaître comme les pétales ou les étamines et d'autres vont se développer pour donner
le fruit, comme l'ovaire.
Les ovaires supères vont développer des fruits simples comme la tomate, les ovaires
infères vont développer des fruits complexes comme le melon ou la pomme.
Cette organisation concentrique est dirigée par des gènes architectes. Lorsque ces gènes
présentent des mutation, des anomalies dans l'organisation de la fleur s'observent.
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Cours : La lithosphère
La lithosphère
Objectif(s)
Comprendre de manière générale la composition de la lithosphère, sa structure et son
fonctionnement.
Connaître la notion d'isostasie.
Relier altitudes et épaisseur crustale.
1. Composition et structure
La lithosphère est un ensemble rigide qui recouvre la surface de la Terre. Elle se
compose de la croûte continentale, de la croûte océanique et de la partie supérieure du
manteau supérieur.
Son épaisseur varie de 0 à 200 km selon sa composition. Elle est plus fine au niveau de
la croûte océanique et plus épaisse au niveau de la croûte continentale.
La discontinuité de Moho marque le passage de la croûte terrestre ou océanique à
la partie supérieure du manteau. Sa profondeur est variable selon où l’on se situe mais
elle est en moyenne à 43 km. Elle est moins profonde au niveau de la croûte océanique (6
km) et peut atteindre 75 km au niveau des chaînes de montagnes, comme on peut le voir
sur le document 1.
À cause du changement de milieu et donc de densité, on observe au niveau de cette
discontinuité une accélération des ondes sismiques.
La lithosphère est séparée de l’asthénosphère par une limite thermique : une
isotherme à 1 300 °C. C’est une limite au-delà de laquelle l’olivine (minéral vert
majoritaire dans le manteau) entre en fusion. L’emplacement de cette isotherme varie
selon le comportement des roches à la jonction des deux, le matériel minéral devient
visqueux et il se produit un mouvement de chaleur. On passe d’une structure rigide à une
structure moins rigide, ce qui entraîne une diminution de la vitesse de propagation
des ondes P et S, d’où son nom de « low velocity zone ».
La lithosphère est divisée en de nombreuses plaques flottantes sur l’asthénosphère
et interagissant entre elles.
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Cours : La lithosphère
2. Isostasie et érosion
George Biddell Airy (1801-1892) et John Henry Pratt (1809-1871) furent les
premiers à tenter d’expliquer la notion d’isostasie. Selon leurs hypothèses, il existerait
une limite de compensation au-dessus de laquelle une pression hydrostatique
s’exerce quel que soit le poids de la matière à compenser et donc quel que soit le relief. Ce
qui explique pourquoi les chaînes de montagnes ne s’enfoncent pas dans le manteau, pas
plus que la croûte océanique. La pression hydrostatique les maintien en équilibre.
C’est aussi pour cela que l’on dit plus communément que la lithosphère « flotte » ou
est en équilibre sur l’asthénosphère. Il existe donc un équilibre entre la lithosphère et
l’asthénosphère.
Ce phénomène vient contrecarrer l’érosion. En effet, l’érosion est un phénomène qui
diminue l’épaisseur de la croûte continentale. Si l’on perd de la matière continentale,
l’isostasie va venir compenser cette perte en remontant l’ensemble.
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Cours : La lithosphère
3. Racine crustale et relief
Comme nous l’avons vu, la lithosphère est découpée en plusieurs plaques et ces
plaques sont mobiles sur l’asthénosphère.
Il existe 2 mouvements possibles entre ces plaques que l’on peut observer sur les
marges actives :
- de convergence : subduction ou collision.
- de divergences : les plaques s’écartent au niveau des dorsales ou des rifts
continentaux.
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Cours : La lithosphère
Il est aussi possible qu’il n’y ait pas de mouvements entre les plaques, on se trouve
alors sur une marge passive.
Schéma bilan des mouvements possibles
La racine crustale est l’écaille de la croûte continentale la plus profonde. Elle se
situe à la limite du Moho.
Lors d’un mouvement de divergence (rift continentaux), on observe un
amincissement de cette racine crustale à cause de l’effondrement et de la fusion des
roches.
Lors des mouvements de convergence (formation chaînes de montagnes), on observe
un épaississement de cette racine par empilement, chevauchement et/ou plissement
des couches.
L'épaisseur de la racine crustale est donc plus faible dans les océans que dans les chaînes
de montagnes.
Cette variation de l'épaisseur crustale va induire une variation de l'isostasie qui
rééquilibre chaque modification.
L'essentiel
La lithosphère est un ensemble rigide qui recouvre la surface de la Terre. Elle se
compose de la croûte continentale, de la croûte océanique et de la partie supérieure
du manteau supérieur.
La discontinuité de Moho marque le passage de la croûte terrestre ou océanique à la
partie supérieure du manteau. Elle se situe en moyenne à 43 km de profondeur.
La lithosphère est séparée de l’asthénosphère par une limite thermique : une
isotherme à 1 300 °C. On y observe une diminution de la vitesse de propagation des
ondes P et S, d’où son nom de « low velocity zone ».
La lithosphère est divisée en de nombreuses plaques flottantes sur l’asthénosphère
et interagissant entre elles.
Le phénomène d'isostasie permet un équilibre (flotte) entre la lithosphère et
l’asthénosphère.
La racine crustale est l’écaille de la croûte continentale la plus profonde. Elle se
situe à la limite du Moho.
L'épaisseur de la racine crustale est plus faible dans les océans que dans les chaînes
de montagnes.
Cette variation de l'épaisseur crustale va induire une variation de l'isostasie qui
rééquilibre chaque modification.
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Cours : La pollinisation
La pollinisation
Objectif(s)
La pollinisation se traduit par le dépôt de pollen sur le stigmate d'un pistil. Ce mécanisme
concerne les Gymnospermes et les Angiospermes. Il existe de nombreux agents
pollinisateurs. 70 % à 90 % des Angiospermes sont pollinisées par des animaux.
Nous verrons quels sont les différents agents pollinisateurs et nous verrons que la
pollinisation de nombreuses plantes repose sur une collaboration animale.
1. Principe de la pollinisation
C'est le mode de reproduction et plus spécifiquement de fécondation des
Gymnospermes (plantes à graines dont l'ovule est nu) et des Angiospermes (plantes à
fleur dont l'ovule est contenu dans un ovaire donnant un fruit après fécondation).
La pollinisation est le transport des grains de pollen (cellules sexuelles mâles) sur un
stigmate du pistil (organe sexuel femelle).
Le grain de pollen est produit par les étamines, il ira féconder l'ovule à l'intérieur de
l'ovaire.
Doc. n° 1 : La pollinisation
Certaines plantes sont autogames, c'est à dire que la fécondation se fait avec le pollen
et le stigmate de la même plante.
Mais la majorité des Angiospermes possèdent des mécanismes qui entravent cette
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Cours : La pollinisation
autopollinisation dans le but de conserver un brassage génétique et d'éviter la «
consanguinité ».
Pour les plantes possédant les organes mâles et femelles :
• Sur la même fleur (bisexuée) : les étamines et le pistil atteignent leur maturité à des
moments différents, souvent les étamines sont matures avant le pistil
→ mécanisme temporel.
Lorsque la pollinisation se fait par les animaux, la fleur présente une morphologie de
sorte que le pollinisateur (l'animal) ne peut transférer les grains de pollen sur le stigmate
de la même fleur. L'animal sert alors de barrière physique
→ mécanisme anatomique.
Il existe également des fleurs auto-stériles : si un grain de pollen atterrit sur le stigmate
de la même fleur, le développement de la graine est bloqué
→ mécanisme génétique.
• Sur des fleurs différentes (unisexuées) : des fleurs mâles produisant du pollen et
des fleurs femelles avec uniquement un pistil. Là encore, pour éviter l'autopollinisation, la
maturité des fleurs mâles et des fleurs femelles est différée dans le temps.
D'autres plantes possèdent des individus strictement mâles et des individus
strictement femelles. Dans ce cas, l'autopollinisation ne peut avoir lieu.
2. Les différents types de pollinisation
La plupart des Angiospermes ont une vie fixée, elles ont donc besoin d'aide pour
acheminer le pollen sur les stigmates.
70 % à 90 % utilisent les animaux mais quelques Angiospermes (surtout certains
arbres et les graminées) et Gymnospermes sont tributaires du vent.
a. La pollinisation par le vent : l'anémogamie
La fleur de ces végétaux est souvent terne (c'est le cas des graminées).
Les plantes ayant une vie fixée, c'est la méthode de dispersion qui est apparue en
premier au cours de l'évolution.
Dès que les grains de pollen arrivent à maturité, le vent les libère et les transporte.
Ce type de pollinisation implique que les grains de pollen sont très légers. Mais c'est
un mécanisme très hasardeux, les grains de pollen peuvent tomber n'importe où et se
retrouver très éloignés des autres fleurs.
Pour pallier à ce hasard, ces plantes produisent des grains de pollen en très grande
quantité, ce qui est très coûteux en énergie pour la plante.
Exemple du Pin :
On peut observer, au printemps, des nuages de pollens jaunes libérés par les Pins.
300 millions de grains de pollen peuvent se déposer sur un mètre carré de terrain à ce
moment là.
b. La pollinisation par les animaux : la zoogamie
Elle concerne la plupart des Angiospermes qui utilisent les animaux pour assurer le
transport des grains de pollen d'une fleur à l'autre.
Les acteurs principaux sont les insectes : on parle d'entomogamie.
C'est le type de pollinisation le plus efficace. Les fleurs, au cours de l'évolution, ont
développé des stratagèmes pour attirer les pollinisateurs et donc augmenter leurs
chances de fécondation.
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Cours : La pollinisation
Les fleurs sont souvent très vives, elles peuvent servir d'abris, produisent du nectar
sucré, produisent des senteurs attractives (production de senteurs proches des
phéromones sexuelles indiquant le présence d'un partenaire sexuel pour l'animal), jouent
de mimétismes (certaines orchidées ont des pétales qui miment la couleur et la forme de
l'insecte femelle pour attirer les mâles).
Doc. n° 2 : Pétales d'orchidée mimant le dos d'un bourdon femelle
Les méthodes mises au point par les plantes pour attirer les pollinisateurs sont
extrêmement variées, tout comme chaque famille d’insectes a adopté des moyens
particuliers pour récolter le pollen ou le disperser.
Ces spécificités ne mettent pas les différentes espèces d'insectes en concurrence puisque
chaque variété de fleur attire un nombre restreint de prétendants.
En pénétrant dans la fleur, l'insecte se charge en pollen (sur ces poils). La plante peut
aussi posséder une morphologie particulière qui va fixer les grains de pollen sur la tête
de l'insecte (cas des orchidées). Puis, lorsque l'insecte s'envolera visiter une autre plante,
ces grains de pollen se déposeront sur le stigmate où la fécondation aura lieu.
En plus des insectes, certains oiseaux et autres mammifères sont également
pollinisateurs.
• La pollinisation par les colibris par exemple : les fleurs présentent le plus souvent
des corolles étroites et longues, dans lesquelles les oiseaux viennent plonger leur bec.
C’est à ce moment-là que le pollen se dépose sur les plumes de la tête de l’oiseau, qui
le transportera vers le stigmate d'une autre fleur.
• La pollinisation par les chauves-souris qui pollinise aux Antilles les fleurs de
vanillier.
3. Un exemple de coévolution plante / pollinisateur : l'orchidée et
le bourdon
Au cours de l'évolution, les animaux sont apparus après les végétaux terrestres.
Depuis, ils n'ont jamais cessé d'influer les uns sur les autres; on parle de « coévolution
».
C'est la sélection naturelle qui a permis de définir les meilleurs échanges entre les
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Cours : La pollinisation
plantes et leurs pollinisateurs.
Certaines plantes ont pérennisé car elles ont trouvé un animal pour transporter leur
pollen de manière très efficace et adapté à leur couleur, odeur, morphologie...etc. Et
les animaux ont trouvé une plante pour se nourrir, se protéger ou se reproduire. La
survie de l'un entraîne la survie de l'autre.
Exemple : l'orchidée et le bourdon.
Le pétale de l'orchidée mime le dos d'un insecte femelle et produit des
phéromones, imitant ceux du même insecte. Elles ont pu pérenniser car elles ont, par
sélection naturelle, trouvé un pollinisateur attiré par ce mimétisme. Et les fleurs
imitant le mieux l'insecte ont aussi augmenté leurs chances de se faire polliniser,
toujours par sélection naturelle.
Doc. n° 3 : Dépôt des grains de pollen sur la tête d’un insecte pollinisateur.
Un grand nombre de fleurs sont pollinisées par un animal spécifique. Ainsi, le pollen
a plus de chances de se faire transporter vers une plante de la même espèce, et
augmenter ainsi ses chances de reproduction.
Mais cette exclusivité pose problème si le pollinisateur disparaît. La plante qui en est
dépendante s'éteindra à son tour, faute de pouvoir être pollinisée.
L'essentiel
Les plantes, pour assurer leur pollinisation, ont recours au vent mais surtout aux
animaux.
La sélection naturelle a renforcé cette interaction plante / pollinisateur car celle-ci
améliore les chances de reproduction de la plante et assure également la pérennité
du pollinisateur.
La pollinisation entrecroisée est très importante car elle assure un brassage
génétique et maintient une plus grande diversité intra-spécifique et une résistance
accrue des plantes.
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Cours : La réaction inflammatoire aiguë
La réaction inflammatoire aiguë
Objectif(s)
Comment explique-t-on l’apparition des symptômes de l’inflammation ?
Lors d’une blessure ou une simple égratignure, on observe l’apparition d’une rougeur
(érythème) autour de la plaie et un gonflement localisé (œdème). La plaie s’échauffe et
est douloureuse.
1. Les grandes étapes de la réaction inflammatoire aiguë
Prenons l’exemple d’une blessure faite avec une épine de rosier :
Étape 1 : Lésion cutanée permettant le passage de la barrière naturelle. Les agents
pathogènes (bactéries) traversent l’épiderme puis atteignent le derme.
Étape 2 : Contamination conduisant à la pénétration des micro-organismes qui vont
débuter leur multiplication cellulaire. C’est le début de l’infection.
Étape 3 : Dilatation locale des capillaires sanguins et diffusion du plasma sanguin
dans les tissus avoisinants. Ce qui conduit au gonflement de la plaie et à sa rougeur
(érythème et œdème). Les terminaisons nerveuses présentes sont stimulées et envoient
un signal de douleur au cerveau.
Étape 4 : Diapédèse. Les phagocytes circulant dans les vaisseaux sanguins vont
traverser leur paroi et venir au contact des micro-organismes. On les appelle alors
macrophages tissulaires.
Étape 5 : Phagocytose. Les macrophages sont activés et fixent à leur surface les microorganismes
grâce à des récepteurs et les internalisent. Ils vont ensuite les digérés.
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Cours : La réaction inflammatoire aiguë
Si cette réponse immunitaire innée est suffisante, l’infection est enrayée. Sinon,
la réponse adaptative est activée.
2. Le recrutement des médiateurs cellulaires au point de lésion
Lors d’une exposition à un agent pathogène, la réponse immunitaire s’organise en
trois phases successives :
(i) la réponse innée immédiate qui permet la reconnaissance de l’agent infectieux par
des molécules préexistantes (membranaires ou solubles),
(ii) la réponse inflammatoire aiguë qui consiste en la production de molécules solubles
permettant le recrutement de médiateurs cellulaires au point d’infection et la réparation du
tissu lésé,
(iii) la réponse immune acquise qui survient au 4 e jour de l’infection mais qui est
spécifique de l’agent infectieux.
Lors de leur activation au contact de l’agent infectieux, les médiateurs cellulaires,
essentiellement des leucocytes (globules blancs) vont sécréter de nombreux facteurs
solubles :
• L’histamine : elle favorise la vasodilatation et l’augmentation de la perméabilité
capillaire et donc l’œdème. Elle est produite par les basophiles et les mastocytes.
• Les leucotriènes : ils agissent comme agent chimiotactique des polynucléaires et
activent les phagocytes.
• Les cytokines / chimiokines (IL1, IL8, IL6, TNF -facteur de nécrose tumorale-) : elles
vont agir en attirant sur le site lésé les polynucléaires neutrophiles, les macrophages
environnants et les lymphocytes « natural killer » qui vont participer à la phagocytose de
l’agent infectieux. Les cytokines facilitent la diapédèse en permettant le relâchement des
jonctions serrées reliant les cellules endothéliales de la paroi des capillaires.
3. La phagocytose
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Cours : La réaction inflammatoire aiguë
Les phagocytes circulants ayant traversé l’endothélium du capillaire s’activent en
macrophages tissulaires. Ils expriment à leur surface des récepteurs conservés au
cours de l’évolution capables de reconnaître des motifs répétés communs aux
micro-organismes pathogènes.
La fixation de l’agent infectieux peut se faire directement au récepteur membranaire
ou par l’intermédiaire d’une molécule soluble comme les molécules du
complément. Ce dernier mécanisme est appelé opsonisation.
Étape 1 : Attraction du phagocyte par le micro-organisme.
Étape 2 : Adhérence du micro-organisme à la surface du phagocyte.
Le micro-organisme se fixe à la surface du phagocyte par l’intermédiaire de molécules
solubles ou de récepteurs membranaires. Cette fixation conduit à l’invagination de la
membrane plasmique qui englobe le micro-organisme.
Étape 3 : Ingestion du micro-organisme par endocytose.
Des pseudopodes se forment autour du micro-organisme, ce qui conduit à son
internalisation.
Étape 4 : Formation d’un phagosome.
Le micro-organisme est enfermé dans une vésicule intracytoplasmique, le phagosome qui
s’entoure des lysosomes contenant des enzymes digestives. Ces derniers fusionnent avec
le phagosome pour donner un phagosolysosme dans lequel le microorganisme va être
digéré.
Étape 5 : Digestion du microorganisme.
Les fragments issus de la digestion du micro-organisme vont être rejetés dans le milieu
extracellulaire par exocytose.
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Cours : La réaction inflammatoire aiguë
4. L’initiation de la réponse immunitaire adaptative : activation
des cellules dendritiques
Les cellules dendritiques jouent un rôle central dans l’initiation de la réponse
immunitaire adaptative. Elles présentent à leur surface, comme les macrophages, des
récepteurs leur permettant l’internalisation de l’agent infectieux. On les surnomme
les sentinelles du système immunitaire.
Au lieu de détruire les micro-organismes ingérés, elles vont les transporter jusque dans
les organes lymphoïdes où sont présents les lymphocytes, acteurs de la réponse
immune adaptative. Des fragments de l’agent infectieux sont alors présentés à ces
lymphocytes qui vont subir une sélection clonale ; seuls ceux capables de reconnaître
spécifiquement le micro-organisme se multiplient. Leur spécificité vis-à-vis de
l’antigène reconnu s’affine.
Par ce processus, l’organisme peut se défendre efficacement, y compris contre les
microorganismes qui ont développé des stratégies pour échapper à la phagocytose.
L'essentiel
Les premières barrières de défense de l’organisme sont les barrières naturelles formées
par la peau et les muqueuses. Lorsque ces barrières sont altérées, des microorganismes
pathogènes peuvent pénétrer dans l’organisme (contamination) et proliférer
(infection).
Le système immunitaire met en place une défense en trois étapes : l’immunité innée
immédiate (0 - 4h), la réaction inflammatoire qui active l’immunité adaptative.
Les cinq étapes de la réaction inflammatoire sont :
Étape 1 : Lésion cutanée permettant le passage de la barrière naturelle.
Étape 2 : Contamination
Étape 3 : Dilatation locale des capillaires sanguins et diffusion du plasma sanguin
dans les tissus avoisinants.
Étape 4 : Diapédèse.
Étape 5 : Phagocytose.
La réaction inflammatoire induite est caractérisée par 4 symptômes :
(i) la rougeur et le gonflement dus à la vasodilatation des capillaires et au passage du
plasma sanguin dans le tissu lésé ;
(ii) la chaleur liée au ralentissement de la circulation sanguine ;
(iii) la douleur véhiculée par les terminaisons nerveuses présentes.
La réaction inflammatoire joue un rôle essentiel dans l’initiation de l’immunité
adaptative.
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Cours : La réaction inflammatoire aiguë
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Cours : La régulation de la glycémie
La régulation de la glycémie
Objectif(s)
Pour assurer son fonctionnement l’organisme doit être capable de contrôler certains
paramètres. Ce contrôle peut être très précis et conduit à un maintien de paramètres
physiologiques dans des échelles de valeurs très étroites, cette particularité des
organismes vivants est appelée homéostasie.
On se propose d’étudier l’un de ces paramètres contrôlés par l’organisme : la glycémie.
1. La glycémie : un paramètre physiologique régulé
La glycémie est la concentration de glucose dans le sang en g.L -1 de plasma sanguin à
jeun.
La régulation est une action permettant le maintien d’un paramètre physiologique à une
valeur constante (exemple : la température corporelle).
Chez un individu sain la glycémie oscille faiblement autour de 1 g.L -1 de plasma à
jeun. Si on provoque une forte variation de la glycémie (jeun, repas) cette valeur est
rapidement de retour à la valeur habituelle.
On peut dire que la glycémie est régulée.
Cet homéostat glycémique doit être obligatoirement régulé car le glucose est
indispensable aux cellules de l’organisme, c'est un métabolite nécessaire aux réactions
métaboliques productrices d’énergie.
Il existe des cellules ne pouvant utiliser que le glucose comme source d’énergie, on
parle de glucodépendance (exemple : les hématies, les neurones).
L’hypo- et l’hyper-glycémie sont donc des pathologies.
2. Les échanges de glucose au sein de l’organisme
a. Le devenir du glucose
Le glucose ingéré est assimilé dans le sang au niveau de l’intestin grêle. Il est ensuite
distribué à l’ensemble des organes via la circulation sanguine.
Cependant, une partie du glucose peut être prélevée par le foie qui occupe une place
privilégiée dans la circulation entre l’intestin et les autres organes.
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Cours : La régulation de la glycémie
Le foie stocke le glucose sous forme de glycogène (polymère de glucose) tout comme les
muscles.
Cependant, les adipocytes (cellules des tissus adipeux) constituent d’autres réserves de
glucose sous forme de triglycérides.
Le tissu adipeux est le principal réservoir de substances énergétiques mais seuls les
hépatocytes (cellules du foie) sont capables de restituer du glucose au sang.
b. Le rôle du foie
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Cours : La régulation de la glycémie
Le foie est indispensable à l’organisme, toute ablation du foie provoque la mort.
On note qu’un sang hypo- ou hyper-glycémique passant par le foie retrouve une glycémie
normale. On peut montrer qu’un foie est un organe contenant du glucose en
quantité importante.
L’expérience « du foie lavé » de Claude Bernard démontre la capacité du foie à
produire du glucose. Le glucose y est stocké sous forme de glycogène. Cette molécule
est un polymère de glucose, il existe donc un mécanisme qui permet de transformer
les glucoses en glycogène et inversement en fonction des besoins de l’organisme.
c. Stockage et déstockage du glucose
1. Synthèse du glycogène (stockage du glucose).
Cette réaction biochimique peut s’effectuer dans le foie et les muscles.
Ce mécanisme se nomme la glycogénogenèse.
Elle permet d’éviter l’hyperglycémie.
Glycogénogenèse :
2. La synthèse du glucose à partir du glycogène (destockage du glucose).
Cette réaction est l’inverse de la précédente ; elle est appelée glycogénolyse.
Le glucose néoformé est largué dans le sang. Elle ne s’opère que dans les hépatocytes
quand l’organisme en fait la demande afin d’éviter l’hypoglycémie.
Glycogénolyse :
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Cours : La régulation de la glycémie
3. La régulation de la glycémie
a. Principes généraux d’une régulation
Toute régulation fait de manière générale intervenir les acteurs suivants :
b. Rôles du pancréas
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Cours : La régulation de la glycémie
Expérience
Lorsque l’on réalise une ablation du pancréas, on observe rapidement une hyper-glycémie.
Si on rétablit le pancréas grâce à une greffe au niveau de la circulation sanguine, la
glycémie redevient normale.
Interprétation
On en déduit que le pancréas a pour fonction de réduire la glycémie, il agit via une
substance transportée par le sang (certainement une hormone).
Explications
Le pancréas est en fait une glande double :
- c’est une glande exocrine qui produit des sucs digestifs (enzymes digestives) qui
agissent lors de la digestion. Ces sucs sont produits par des cellules glandulaires
regroupées en acini, ils sont déversés au niveau de canaux pancréatiques qui se
regroupent pour former un canal de grande taille qui rejoint l’intestin grêle au niveau du
duodénum.
- c’est une glande endocrine qui possède des cellules regroupées en amas : les îlots de
Langerhans.
Ces cellules produisent 2 types de substances :
• Les cellules alpha, situées à la périphérie des îlots produisent du glucagon ;
• Les cellules bêta, situées au centre des îlots produisent de l’insuline.
Ces 2 substances sont des hormones qui agissent comme des messagers chimiques.
Une hormone est une substance biochimique produite par une glande endocrine et
véhiculée par le sang agissant sur des cellules cibles.
L’insuline, produite par les cellules bêta, est libérée lorsqu’on observe une hausse de la
glycémie, elle a une action hypo-glycémiante.
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Cours : La régulation de la glycémie
Le glucagon, produit par les cellules alpha, est libéré lorsqu’on observe une baisse de la
glycémie, il a une action hyper-glycémiante.
c. Controle de la glycémie par les hormones pancréatiques
Les cellules alpha et bêta sont directement sensibles aux variations de la glycémie et
remplissent donc le double rôle :
- de détecteur d’écarts (capteur) ;
- de système de commande de la régulation.
Dans des conditions normales, avec une glycémie au voisinage de 1g.L -1 , il existe une
certaine quantité d’insuline et de glucagon dans le sang. En effet, le pancréas assure
une sécrétion basale de ces 2 hormones.
Si une augmentation de la glycémie est détectée, cela induira une augmentation de la
sécrétion d’insuline et une baisse de la sécrétion de glucagon.
Si une diminution de la glycémie est détectée, cela induira une augmentation de la
sécrétion de glucagon et une baisse de la sécrétion d’insuline.
La production d’hormone n’induit aucun effet direct sur la glycémie en tant que telle.
Les hormones agissent sur des cellules cibles qui vont les détecter et réaliser une action
permettant de modifier la glycémie en réponse à ce signal.
L’insuline agit sur la plupart des cellules de l’organisme, elle favorise :
- la pénétration du glucose dans les cellules (en activant les transporteurs de glucose
à travers la membrane plasmique) ;
- la consommation, en activant le métabolisme de la respiration qui consomme du
glucose ;
- la glycogénogenèse dans le foie et les muscles, et la synthèse de graisse dans les
adipocytes.
Le glucagon agit essentiellement sur les hépatocytes en favorisant la glycogénolyse et
la libération de glucose dans le sang.
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Cours : La régulation de la glycémie
L'essentiel
La glycémie, comme d’autres paramètres, fluctue autour d’une valeur de consigne, ceci
est possible du fait de l’existence d’un mécanisme d’autorégulation.
L'insuline et le glucagon, hormones produites par le pancréas joueront le rôle de messager
indiquant aux cellules cibles la manière de réguler le taux de glucose (augmenter ou
diminuer).
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Cours : La succession des deux phases de la photosynthèse
La succession des deux phases de la
photosynthèse
Objectif(s)
Les végétaux captent l'énergie lumineuse pour fabriquer leur propre matière organique.
Comment l'énergie lumineuse est convertie en énergie chimique ? Comment est
transformé le CO 2 atmosphérique ? Quels sont les produits issus de la photosynthèse ?
1. Pigments, spectre d'absorption et spectre d'action
a. Pigments photosynthétiques
Une chromatographie d'une goutte de chlorophylle brute permet de séparer les
différents pigments photosynthétiques :
• Les caroténoïdes (carotènes et xanthophylles) sont des pigments de couleur jaune
orangé.
• Les chlorophylles a et b sont des pigments verts. Ces pigments sont organisés en
photosystèmes à l'intérieur de la membrane des thylakoïdes.
b. Spectre d'absorption et spectre d'action
Si on fait traverser un échantillon de chlorophylle brute par de la lumière blanche, on
constate que les pigments absorbent essentiellement les radiations situées aux
extrémités du spectre, c'est-à-dire la lumière rouge et bleue. Il n'y a pas d'absorption
de la lumière verte. Ces radiations absorbées sont celles qui sont efficaces pour la
photosynthèse : spectre d'absorption et spectre d'action ont le même profil.
c. Équation de la photosynthèse
L'équation de la photosynthèse est la suivante :
6 CO 2 + 6 H 2O + Énergie lumineuse -> C 6H 12O 6 + 6 O 2
Cette équation a des apparences de simplicité mais présente un processus fort complexe.
En fait, la photosynthèse est divisée en 2 phases : une phase photochimique et une
phase non photochimique.
2. La phase photochimique
Elle se déroule dans les thylakoïdes du chloroplaste et nécessite la présence de la
lumière.
a. Principe
• L'énergie des photons lumineux est captée par le photosystème et est transmise
jusqu'aux molécules de chlorophylle (Chl) ; celles-ci vont perdre un électron et passer
dans un état oxydé.
• Les électrons arrachés parcourent toute une chaîne de transporteurs (séries de réactions
d'oxydo-réduction) jusqu'à un accepteur final R qui est réduit en RH 2 : les électrons
riches en énergie sont donc mis en réserve dans RH 2.
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Cours : La succession des deux phases de la photosynthèse
• Au cours de ce transfert, il y a formation d'adénosine triphosphate (ATP) à partir d'ADP
(adénosine diphosphate) et d'un Pi (phosphate inorganique). Il y a phosphorylation.
• Les molécules de Chl vont chercher à combler les « trous » laissés par les électrons qui
ont été « arrachés » : c'est l'eau (H 2O) qui va céder des électrons et des protons pour
régénérer les molécules de Chl. Ce retrait scinde la molécule d'eau et permet la formation
et la libération d'O 2 : il y a photolyse.
b. Bilan de la phase photochimique
Dans des conditions expérimentales, à partir d'une suspension de chloroplastes, il n'y a
libération d'O 2 que si on ajoute dans le milieu un accepteur d'électrons : c'est Hill qui le
constate dès 1937, d'où le nom donné au « réactif de Hill ».
Cette condition expérimentale montre que ce n'est pas le CO2 qui joue le rôle
d'accepteur d'électrons issus de la photolyse de l'eau.
3. La phase non photochimique ou cycle de Calvin
Elle se déroule dans le stroma du chloroplaste. Elle ne nécessite pas la présence directe
de lumière mais elle est couplée à la phase photochimique.
Le carbone entre dans cette phase sous forme de CO 2 et il en ressort sous forme d'un
glucide à 3 atomes de carbone : le 3-phosphoglycéraldéhyde ou C3P (triose phosphate).
Pour fabriquer une molécule de ce triose phosphate, le cycle doit fixer trois molécules de
CO 2.
a. Principe
• Fixation d'une molécule de CO 2 sur un glucide à 5 atomes de carbone, le ribulose 1-5
biphosphate (C5P2). C'est la formation d'un composé intermédiaire à 6 C.
• Le composé intermédiaire se scinde instantanément en 2 molécules à 3 atomes de
carbone : le 3-phosphoglycérate (APG).
• Chaque molécule de phosphoglycérate reçoit un groupement phosphate supplémentaire
pris à l'ATP, le RH 2 lui cède ses électrons et ses protons et est réoxydé en R : cette
réaction d'oxydo-réduction permet la formation du triose phosphate (C3P).
b. Devenir du triose phosphate
• Une partie permet de régénérer le ribulose 1-5 biphosphate de départ (réaction qui
consomme de l'ATP).
• Une partie permet la synthèse de molécules glucidiques, puis de protides et de lipides
ultérieurement.
L'essentiel
La photosynthèse se déroule dans un organite spécialisé, le chloroplaste, et fait intervenir
deux phases complémentaires et couplées : phase photochimique et phase non
photochimique. Elle aboutit à la synthèse de molécules organiques.
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Cours : La succession des deux phases de la photosynthèse
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Cours : La synapse neuromusculaire, zone de commande de la contraction
La synapse neuromusculaire, zone de commande
de la contraction
Objectif(s)
La transmission de l'information du neurone vers la cellule effectrice s'effectue au niveau
de la synapse. Il s'agit de comprendre le fonctionnement de cette structure au travers de
l'étude d'un exemple : la synapse neuromusculaire.
Un peu d’histoire
Une fois la théorie du neurone admise, il restait à déterminer la nature de la
transmission d’un neurone à une autre cellule. Le message nerveux au niveau de la
fibre étant de nature électrique, l’idée d’une transmission par contact s’imposa
rapidement.
Le premier à imaginer l'intervention d’un messager chimique fut le français Claude
Bernard (1856). En effet, ce dernier essayait de comprendre la paralysie musculaire
provoquée par le curare. Il découvrit en effet que ce poison bloquait la jonction
entre les fibres nerveuses et le muscle. L’idée d’une transmission du message
nerveux par l’intermédiaire d’une substance chimique venait de naître. Il faudra
pourtant attendre les années 50 et la mise au point de la microscopie électronique
pour enfin visualiser la synapse et comprendre les modalités de la libération des
neurotransmetteurs.
1. La transmission du message nerveux au niveau d’une synapse
Le réflexe myotatique met en jeu des messages nerveux dont le rôle est de
déclencher une contraction musculaire. Les potentiels d’action, générés au
niveau de la moelle épinière, circulent le long des axones des motoneurones. Ils
parviennent jusqu’aux boutons synaptiques. La structure qui assure la transmission du
message nerveux du neurone à la fibre musculaire est la synapse neuromusculaire.
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Cours : La synapse neuromusculaire, zone de commande de la contraction
Lorsqu’on observe une synapse en utilisant un grossissement suffisant, on constate que la
membrane plasmique du neurone n’est jamais en contact avec la membrane du
muscle. L’espace inter-synaptique qui les sépare mesure quelques dizaines de
nanomètres.
La transmission du message nerveux ne se fait donc pas par contact électrique
mais nécessite un messager chimique libéré par le neurone qui va se fixer sur la
membrane de la cellule musculaire. Cette substance est appelée neurotransmetteur.
On remarque dans le bouton synaptique la présence de vésicules. Ce sont des sacs
qui contiennent le neurotransmetteur.
Le neurone se trouvant en amont de la synapse est appelé neurone présynaptique.
La cellule stimulée se trouvant après la synapse est appelée cellule
postsynpatique.
2. Les neurotransmetteurs : acteurs moléculaires de la
transmission synaptique
Afin de comprendre le fonctionnement de la synapse, on observe l’état du neurone
présynaptique au repos (1) et une fois stimulé (2).
On constate que l’aspect des vésicules change. Lorsque le neurone est stimulé, les
vésicules s’accolent à la paroi, fusionnent avec elle, et semblent s’ouvrir vers l’extérieur.
Ce phénomène est appelé exocytose : les vésicules déversent leur contenu dans
l’espace inter-synaptique.
1 - Aspect de la synapse au repos.
2 - Aspect de la synapse lorsque un
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Cours : La synapse neuromusculaire, zone de commande de la contraction
potentiel d’action arrive.
Il suffit alors d’analyser le contenu des vésicules pour connaître la nature de la
substance déversée.
Dans le cas de le la synapse neuromusculaire, il s’agit de l’acétylcholine. On peut
donc supposer que c’est ce neurotransmetteur qui déclenche la contraction
musculaire.
Pour le prouver, on utilise une micropipette avec laquelle on déverse de l’acétycholine au
niveau de la plaque motrice. On constate une contraction de la fibre musculaire.
L’acétylcholine, contenue dans les vésicules du neurone présynaptique, est donc
bien le neurotransmetteur déversé dans l’espace inter-synaptique. C’est bien elle qui
déclenche la contraction.
En utilisant de l’acétylcholine marquée avec de la radioactivité, on constate que la
membrane postsynaptique devient radioactive. Cette membrane possède donc des
récepteurs capables de fixer le neurotransmetteur. Ces récepteurs s’avèrent d’ailleurs
spécifiques à cette molécule. Ce sont eux qui, une fois l’acétylcholine fixée,
déclenchent la contraction.
La fixation de l’acétylcholine sur les récepteurs est transitoire. Une fois l’effet sur
les récepteurs postsynaptiques déclenché, la molécule se détache. Elle est alors en
partie dégradée par une enzyme particulière : l’acétylcholinestérase.
Les produits de dégradation ainsi que l’acétylcholine restante sont alors recyclés et
retournent dans la terminaison présynaptique.
3. Le codage de l’intensité du message nerveux
On a vu dans un précédent chapitre que l’intensité d’une stimulation était codée en
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Cours : La synapse neuromusculaire, zone de commande de la contraction
fréquence de potentiel d’action au niveau du neurone.
Au niveau de la synapse, le codage va se traduire par la quantité de
neurotransmetteur déversée dans l’espace inter-synaptique.
Au niveau de la plaque motrice, plus la fréquence de potentiel d’action véhiculé par
l’axone sera élevée, plus la quantité d’acétylcholine déversée par le neurone présynaptique
sera importante. La durée de la contraction de la fibre musculaire sera
alors prolongée.
L'essentiel
Les étapes du fonctionnement d'une synapse sont les suivantes :
1 - L’axone véhicule un potentiel d’action jusqu’à la terminaison synaptique.
2 - Les vésicules du neurone présynaptique se rapprochent de la membrane.
3 - Libération des neuromédiateurs enfermés dans les vésicules synaptiques par
exocytose.
4 - Fixation des neuromédiateurs sur les récepteurs situés sur la membrane de l’élément
postsynaptique (fibre musculaire).
5 - Le neurotransmetteur se détache du récepteur et peut être dégradé par
l’acétylcholinestérase.
6 - Les molécules sont recyclées par le neurone présynaptique.
Aller plus loin : applications pharmacologiques
D’autres substances sont capables de déclencher une contraction au niveau de la
synapse à acétylcholine. Ces molécules chimiquement proches sont capables de se fixer
sur les récepteurs post-synaptiques et de déclencher les mêmes effets que le
neurotransmetteur. On les qualifie d’agonistes cholinergiques.
D’autres, en revanche, bloquent les effets de l’acétylcholine. C’est par exemple le cas
du curare qui provoque une paralysie musculaire en se fixant sur les récepteurs.
On parle alors d’antagoniste cholinergique. Ce poison, utilisé par des indiens
d’Amazonie pour chasser, a fait l’objet de nombreuses études. Il est d’ailleurs utilisé lors
des opérations chirurgicales afin d’empêcher les patients de bouger pendant
l’intervention en provoquant un relâchement musculaire. Une fois l’opération
terminée, l’anesthésiste injecte un antidote pour libérer les récepteurs cholinergiques
bloqués par le curare. La paralysie est alors levée…
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Cours : La synapse neuromusculaire, zone de commande de la contraction
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Cours : Le brassage interchromosomique
Le brassage interchromosomique
Objectif(s)
Les chromosomes homologues se séparent en anaphase de 1 re division méiotique.
Comment se transmettent les caractères ?
1. Le brassage interchromosomique
En anaphase I, lors de la disjonction des chromosomes, les deux chromosomes
homologues de chaque paire se séparent. Chaque chromosome migre vers l'un ou l'autre
pôle de la cellule.
C'est un phénomène aléatoire et le nombre de combinaisons ou lots possibles entre les n
paires est infini : ainsi le chromosome d'une paire peut être associé avec l'un ou l'autre
chromosome d'une deuxième paire ; ceci est valable pour les n paires.
Un tel brassage est qualifié d'interchromosomique. Les différents chromosomes se
séparent donc indépendamment les uns des autres : on parle même d'une « loterie » de
l'hérédité. Le nombre de combinaisons possibles est de : 2 n .
Dans le cas de l'espèce humaine, n = 23, donc un individu peut produire 2 23
spermatozoïdes ou ovules différents (soit plus de 8 millions de spermatozoïdes ou d'ovules
différents).
2. Brassage interchromosomique et hétérozygote
Un individu hétérozygote, pour 2 gènes situés sur 2 paires de chromosomes différents (on
parle de gènes indépendants) produira 4 types de gamètes en quantité équiprobable. Il
n'y a pas de crossing-over pour ces 2 gènes en prophase I.
De même, pour trois paires de chromosomes homologues, on a 8 types de gamètes. Cette
équiprobabilité est liée au fait que chaque chromosome se comporte de façon
indépendante des autres en anaphase I et a autant de chance de migrer vers l'un ou
l'autre pôle de la cellule, les gamètes recevant au hasard un des deux caractères de
chaque couple.
Les allèles des différents gènes se combinent indépendamment les uns des autres au
cours de la formation des gamètes.
Un test-cross produira 4 phénotypes différents :
• 2 identiques aux parents ;
• 2 nouveaux de type recombiné avec un caractère appartenant à chacun des 2 parents.
Un tableau de croisement ne s'effectue qu'à partir des gamètes des parents.
• Exemple 1 : Croisement double homozygotes.
Le croisement d'un individu de génotype (AA ; BB) avec celui d'un individu de génotype
(aa ; bb).
Un individu (AA ; BB) ne produira que des gamètes AB.
Un individu (aa ; bb) ne produira que des gamètes ab.
On obtient le croisement suivant (test cross) :
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Cours : Le brassage interchromosomique
Gamètes AB
ab Aa ; Bb
On obtient à l'issue de la fécondation : 100 % de (Aa ; Bb), double hétérozygote.
• Exemple 2 : Croisement 1 homozygote avec 1 hétérozygote (= Test cross).
Avec des individus de génotypes : (Aa ; Bb) × (aa ; bb).
L'individu (Aa ; Bb) produira comme gamètes : AB, Ab, aB ou ab de manière équiprobable.
L'individu (aa ; bb) ne produira que des gamètes : ab.
Gamètes AB Ab aB ab
ab (Aa ; Bb) (Aa ; bb) (aa ; Bb) (aa ; bb)
Soit :
25 % (Aa ; Bb), de phénotype : [AB].
25 % (Aa ; bb), de phénotype : [Ab].
25 % (aa ; Bb), de phénotype : [aB].
25 % (aa ; bb), de phénotype : [ab].
Les phénotypes [AB] et [ab] sont de type parental (la combinaison d'allèles existait déjà
avant la méiose), les deux autres : [Ab] et [aB] sont de type recombiné (nouvelle
combinaison d'allèles).
• Exemple 3 : Croisement de 2 hétérozygotes.
Chaque individu produit de manière équiprobable les gamètes suivants : AB, Ab, aB ou ab.
Gamètes AB Ab aB ab
AB (AA ; BB) (AA ; bB) (aA ; BB) (aA ; bB)
Ab (AA ; Bb) (AA ; bb) (aA ; Bb) (aA ; bb)
aB (Aa ; BB) (Aa ; bB) (aa ; Bb) (aa ; bB)
ab (Aa ; Bb) (Aa ; bb) (aa ; Bb) (aa ; bb)
Les proportions des phénotypes (même couleur) sont alors :
pour [AB] ; pour [Ab] ; pour [aB] et pour [ab].
L'essentiel
La disjonction des chromosomes homologues conduit à la séparation des allèles :
c'est un événement indépendant pour chacune des paires, chaque allèle ayant la
même probabilité d'être avec l'un ou l'autre allèle d'un autre gène.
Le brassage interchromosomique aboutit à 2 n combinaisons alléliques dans les
gamètes.
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Cours : Le brassage intrachromosomique
Le brassage intrachromosomique
Objectif(s)
Les allèles situés sur les paires de chromosomes homologues subissent des
recombinaisons au moment de la méiose.
Quel brassage chromosomique est réalisé ? Quelles en sont les conséquences ?
1. Le crossing-over
En prophase de la première division de méiose, les chromosomes homologues appariés
échangent des portions de chromatides en réalisant des chiasmas : on obtient des
chromosomes recombinés.
Ce phénomène est le crossing-over à l'origine d'un brassage intrachromosomique entre
les allèles des paires homologues.
Doc. 1 : Exemple de crossing-over possible au sein d'une paie de chromosomes.
2. Crossing-over et individus hétérozygotes
Chez l'individu homozygote, le crossing-over ne modifie en rien la combinaison des
allèles, ceux-ci étant identiques pour un gène donné. Un individu hétérozygote, pour 2
gènes situés sur la même paire de chromosomes homologues (on parle de gènes liés)
produira des gamètes de type parental mais aussi des gamètes de type recombiné
issus du crossing-over.
Les gamètes recombinés seront en proportion variable mais en minorité par rapport aux
gamètes parentaux. Un croisement-test réalisé entre cet hétérozygote et un double
homozygote récessif donnera alors en première génération (F1) quatre phénotypes en
quantité non équiprobable :
• 2 majoritaires de type parental ;
• 2 minoritaires de type recombiné.
Exemple : Soit 2 gènes existant sous forme de 2 allèles : A et a / B et b (A et B sont les
allèles dominants ; a et b sont les allèles récessifs) et un individu double hétérozygote
AB//ab. Cet individu est issu de deux parents de génotype AB//AB [AB] et ab//ab [ab]. Le
double hétérozygote produira 4 types de gamètes : • AB + ab majoritaires de type
parental ;
• Ab + aB minoritaires de type recombiné.
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Cours : Le brassage intrachromosomique
Résultat du croisement-test :
Double homozygote
récessif 100 % gamètes ab
Remarques :
Double hétérozygote
Gamète AB Gamète ab Gamète Ab Gamète aB
Majoritaire Majoritaire Minoritaire Minoritaire
AB // ab ab // ab Ab // ab aB //ab
Phénotype [AB] [ab] [Ab] [aB]
Type Parental Parental Recombiné Recombiné
Certaines méioses peuvent se dérouler sans crossing-over entre les loci des 2 gènes
étudiés.
Dans ce cas, l'association des allèles au niveau des gamètes est la même que chez le
parent : on obtient donc uniquement des gamètes de type parental en quantité
équiprobable (soit, d'après les données de l'exemple précédent, 50 % AB et 50 %
ab).
Lorsqu'on s'intéresse à 2 gènes situés sur des paires de chromosomes différents (on
parle de gènes indépendants), le crossing-over n'intervient pas dans la distribution
et la recombinaison des allèles étudiés.
Il s'agira alors d'un brassage intrachromosomique avec distribution aléatoire des
allèles en anaphase de 1 ère division de méiose. Ce brassage crée de nouvelles
combinaisons d'allèles sur chaque chromosome.
L'essentiel
Le brassage intrachromosomique se produit en prophase de première division de
méiose. Il permet une recombinaison entre les différents allèles des gènes liés.
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Cours : Le diabète
Le diabète
Objectif(s)
Connaître les différents phénotypes diabétiques.
Connaître les origines de ces dysfonctionnements.
La glycémie est un paramètre qui pour un individu sain est régulé par l'insuline. Cet
homéostat est indispensable au bon fonctionnement des cellules de l’organisme,
consommatrices de glucose pour produire l’énergie nécessaire à leurs activités.
Il existe cependant des cas où le système de régulation est mis en défaut : ce sont les
diabètes.
1. Définition du diabète
a. Le phénotype diabétique
On définit le diabète comme une pathologie caractérisée par une glycémie supérieure
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Cours : Le diabète
à 1,26g/L à jeun.
Si la glycémie est comprise entre 1,10 et 1,26 g/L on parle d’état prédiabétique.
Le diabète se traduit par des dysfonctionnements au niveau de plusieurs tissus :
- la rétine : avec l’apparition de zones de dégénérescence pouvant conduire à la cécité ;
- le rein : si la glycémie dépasse 1.7 g/L, il laisse passer le glucose vers les urines (c’est
la glycosurie = diabète sucré) ;
- le système cardio-vasculaire : avec des problèmes liés à l’hypertension.
b. Origine du phénotype
On distingue 2 types de diabète :
Le diabète de type I (10 à 15 % des diabètes en France) :
- apparition brutale chez l’adolescent, diabète juvénile ;
- polyurie (production d’urine importante) ;
- soif permanente (polydipsie) ;
- amaigrissement ;
- fatigue ;
- au niveau biochimique, il est caractérisé par une faible insulinémie : faible quantité
d’insuline circulant dans le sang. Il est ainsi qualifié de diabète insulinodépendant :
DID.
Le diabète de type II (85 à 90 % des diabètes en France) :
- signes cliniques discrets souvent liés à un excès de la masse corporelle ;
- au niveau biochimique, il est caractérisé par une forte insulinémie. Il est qualifié de
diabète non insulinodépendant : DNID.
Quel est le déterminisme de ces 2 pathologies ?
2. Le diabète de type I
a. Les causes du dysfonctionnement
Dans le cas du DID, c’est l’absence d’insuline qui explique la maladie.
Cette absence à pour cause la destruction des cellules β des îlots de Langerhans :
- par l’action d’anticorps produits par l’organisme contre ses propres cellules ;
- couplée à l’action des lymphocytes T (globules blancs) contre ces cellules β ;
- on parle de pathologie auto-immune.
Ceci à pour effet de rendre impossible la production d’insuline et explique donc
l’hyperglycémie.
De plus les cellules α des îlots de Langerhans ne sont pas endommagées. Ce qui se
traduit par le maintien de la sécrétion « basale » de glucagon qui, en absence
d’insuline, a un effet hyperglycémiant.
Ceci à pour effet :
- une forte hyperglycémie ;
- un amaigrissement (car aucune mise en réserve de glucose n’est possible) ;
- la glycosurie qui est le seul procédé d’élimination du glucose en surplus dans le sang.
b. Les origines du dysfonctionnement
Les études statistiques montrent qu’il existe des familles à risques dans lesquelles les
probabilités de développer un diabète sont importantes.
Cependant en aucun cas il ne s’agit d’une maladie génétique, car même chez de vrais
jumeaux, un individu peut être atteint mais pas l’autre.
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Cours : Le diabète
On parle de prédisposition génétique.
D’autres facteurs contribuent à l’apparition de cette pathologie.
Des infections virales pourraient être des agents déclencheurs, en stimulant une
réponse immunitaire contre les cellules du pancréas.
De même, certains facteurs nutritionnels pourraient être concernés.
c. Des moyens de lutte contre le DID
La méthode utilisée actuellement consiste en l’injection d’insuline de manière à
réguler la glycémie.
Aujourd’hui, des méthodes de dépistage sont à l’étude afin de repérer les gènes de
prédisposition. S’il y a risque avéré, des traitements visant à diminuer l’efficacité
du système immunitaire sont proposés.
Des greffes de pancréas voire d’îlots de Langerhans sont à l’étude.
3. Le diabète de type II
a. Les causes du dysfonctionnement
Dans le cas du DNID, l’insuline est produite normalement, et même en excès.
Le dysfonctionnement résulte d’une insulinorésistance.
Il faut savoir que les récepteurs à l’insuline (au niveau des cellules du foie, des muscles
ou des adipocytes) perdent leur sensibilité à l’hormone.
Ceci a pour effet :
- les cellules cibles de l’insuline ne stockent plus le glucose ;
- forte hyperglycémie.
Cette fois le glucagon est toujours compensé par l’insuline, ce qui limite les valeurs
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Cours : Le diabète
hyperglycémiques.
b. Les origines du dysfonctionnement
De la même manière que pour le DID, on a pu montrer qu’au sein d’une famille, les
risques de développer le DNID existaient.
Un certain nombre de gènes dits « diabétogènes » ont été identifiés. On a ainsi
montré qu’une mutation de certains gènes entraînait l’apparition d’allèles de
prédisposition.
Cependant des facteurs environnementaux sont prédominants :
- le régime alimentaire (trop riche en graisse et sucres), 80% des diabétiques sont
obèses ;
- le mode de vie (sédentarité, manque d’activité physique), exemple : les indiens
mexicains Pimas allant vivre aux USA.
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Cours : Le diabète
c. Des moyens de lutte contre le DNID
Ils sont peu nombreux mais simples :
- une meilleure hygiène de vie ;
- des traitements médicamenteux antidiabétiques.
L'essentiel
Les diabètes résultent donc d’un dysfonctionnement dans le processus de
régulation de la glycémie et conduit à des symptômes sévères.
Il s’agit de pathologies multifactorielles, liées à des facteurs génétiques et
environnementaux, ce qui confirme la complexité de l’élaboration d’un phénotype (de
nombreux facteurs entrent en jeu dans sa réalisation).
Les voies de traitement utilisées sont prometteuses, en particulier les dépistages avant
le déclenchement de la pathologie.
Cependant, des problèmes éthiques demeurent quant à l’existence de ces dépistages :
par exemple, un individu diagnostiqué futur diabétique sera-t-il traité de la même
façon qu’un individu sain par les assurances maladie (sachant que les soins dont il
pourrait avoir besoin sont très onéreux) ?
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Cours : Le genre Homo
Le genre Homo
Objectif(s)
Situer le genre Homo dans la phylogénie des primates.
Connaître les critères morphologiques et comportementaux qui caractérisent le genre
Homo.
1. Généralités
L'Homme appartient à l'ordre des primates.
Il possède des caractéristiques qui lui sont propres telles la bipédie (à 99 %), des mains
préhensibles avec un pouce opposable aux autres doigts, des ongles plats à l'extrémité
des doigts, un appareil visuel développé, un langage articulé, un cerveau volumineux,
etc...
Certains de ces caractères sont partagés avec les singes.
Le genre Homo fait parti de la sous-famille des Hominines, au sein de la famille des
Hominidés dont font également parti les parents fossiles humains ainsi que les grands
singes anthropomorphes.
Les Hominines regroupent 8 genres dont :
- Homo ;
- Australopithecus...
Le genre Homo est le seul encore vivant, les autres sont des fossiles.
Il existe 12 espèces établies dans le genre Homo.
L'Homo sapiens est la seule espèce à être encore vivante. Les autres sont des espèces
fossiles, il est d'ailleurs très difficile d'établir des limites spécifiques entre eux, le nombre
d'espèce peut donc être variable, selon les avis scientifiques. La lignée humaine est très
controversée dans sa définition.
2. Caractéristiques morphologiques
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Cours : Le genre Homo
a. Le squelette
L'évolution du squelette du genre Homo est essentiellement due à l'adaptation à la marche
et donc à l'utilisation quasi totale de la bipédie.
On observe donc une colonne vertébrale avec 4 courbures, permettant la stature verticale.
• Le dimorphisme sexuel (différence homme / femme) sur le squelette est peu marqué.
• Le membre supérieur est plus court que le membre inférieur. Chez l'Homme les bras
atteignent le dessous de la taille tandis que chez l'anthropomorphe ils touchent le sol.
• Le bassin est constitué d'un os iliaque court et élargi latéralement. Le bassin est en
forme de corbeille, ce qui permet de supporter le poids du corps, de servir de point
d'ancrage aux muscles et de maintenir les viscères.
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Cours : Le genre Homo
• Le membre inférieur est allongé. Le fémur est incliné de 15° à la verticale, et le centre
de gravité est au niveau du bassin : l'homme est en position verticale.
• Les pieds ont une voûte plantaire qui permet une meilleure stabilité, et des orteils
alignés qui permettent une adaptation à la course à pied.
• Les mains : préhensibles avec un pouce opposable aux autres doigts.
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Cours : Le genre Homo
b. Le crâne
La tête de l'Homme est posée à la verticale sur la colonne vertébrale, avec le trou
occipital en position avancée.
Elle possède 4 courbures pour maintenir l'équilibre et amortir les chocs,
L'Homme a un volume endocrânien important, de l'ordre de 1400 cm 3 .
Face à la verticale du front, il n'y a pas de bourrelets sus-orbitaires.
Le menton et l'arcade dentaire sont en forme de parabole.
Les canines sont petites et la mâchoire légère.
3. Caractéristiques comportementales et culturelles
a. Fabrication d'outils
L'Homme a rapidement su fabriquer des outils, ce n'est pas vraiment un caractère
qui lui est propre car il a été montré que les chimpanzés étaient eux aussi capables d'en
fabriquer. Les outils présentés ne sont pratiquement que des outils taillés dans la pierre ou
en os car ce sont des matériaux inaltérables avec le temps (quelques millions d'années à
traverser).
Les premiers outils trouvés datent du Paléolithique archaïque (-2,3 millions d'années).
Il s'agissait de gros galets avec un bord tranchant. Ils étaient entre autres utilisés pour
dépecer les proies. C'était ce que l'on appelle un outil primaire : outil sans
transformation, utilisé comme tel. L'Homo habilis serait le premier à avoir utilisé des
outils primaires.
C'est vers -1,6 millions d'années que l'Homme commence à façonner des outils
secondaires : il utilise un objet pour en façonner un autre. Comme par exemple, utiliser
une pierre pour en tailler une autre et la rendre plus tranchante. Il commence à élaborer
des outils symétriques et adaptés à ses besoins.
C'est à cette époque qu'apparaissent aussi les premiers bifaces, ils présentent une
double symétrie et l'on suppose qu'un certain souci esthétique justifie certaines
formes. Les scientifiques ont attribués à l'Homo ergaster la fabrication du biface.
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Cours : Le genre Homo
À partir de -200 000 ans jusque -5 000 ans, apparaissent les premiers outils composites
: fabrication d'outils à plusieurs éléments, ces outils sont plus diversifiés et les
techniques plus précises et réfléchies selon leur future utilisation. On entre vraiment
dans une conception raisonnée de l'objet. Parmi ces outils, on peut citer les flèches,
les arcs, les haches...On attribue la fabrication de ces outils aux Homo néanderthalensis
et premiers Homo sapiens.
Vers la fin du Paléolithique supérieur, on voit apparaître des outils plus petits et à
base d'os comme des aiguilles, des couteaux, des hameçons...
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Cours : Le genre Homo
L'évolution des outils a continué bien après cette période et continue encore de nos jours.
b. Pratiques culturelles
• L'alimentation
L'étude de l'alimentation de l'Homme ne peut se faire que par l'analyse de la dentition
des fossiles retrouvés. Elle nous indique que l'Homme était omnivore, il chassait et
pratiquait la cueillette de fruits ou racines. Le mode d'alimentation a évolué avec les
avancées techniques (outils), ainsi la découverte du feu a permis d'introduire plus de
viandes et de la cuire. Au néolithique l'Homme se met à cultiver les céréales et élever les
animaux pour leur viande.
Selon les lignées, on observe une très grande diversification du régime alimentaire,
par exemple Homo néanderthalensis était le plus carnivore de tous.
• L'habitat, vie sociale et rites.
Au paléolithique, les Homo habilis et Homo erectus étaient des nomades qui se
déplaçaient selon les saisons et la disponibilité des ressources alimentaires
(cueillette et chasse). Leur habitat était donc un abri provisoire qui n'était pas destiné à
résister très longtemps aux intempéries. Il n'existe pas un type d'habitat privilégié car
l'Homme s'adaptait aux conditions qu'il rencontrait. Il privilégiait la proximité aux
rivières ou points d'eau, les abris naturels (roches, grottes...) et analysait les
conditions météorologiques et la nature du terrain.
L'évolution de l'habitat montre donc une forte adaptation de l'Homme aux conditions
environnementales.
On observe tout de même une évolution sur le regroupement d'habitations, avec
l'apparition des premiers villages au paléolithique moyen et l'établissement des
premières sociétés.
L'Homme se distingue ainsi par une vie en communauté et l'utilisation d'un langage
commun qui permet l'apparition de rites culturels (ex : funéraires). C'est une pratique
qui n'a jamais été observée chez les grands singes.
• L'Art
L'art est certainement l'activité qui différencie le plus l'Homme des autres singes
(après le langage). On a déjà pu observer une prédisposition à intégrer une certaine
esthétique dans la fabrication d'outils au début du Paléolithique mais c'est au Néolithique
que l'art fait sa grande apparition. On observe différentes techniques : gravures,
incisions, peintures, statues... Y sont représentés : des hommes, des animaux, des scènes
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Cours : Le genre Homo
de vie (chasse, guerre)...
On peut noter aussi la fabrication de parures (-82 000 ans) et la décoration des
premiers mobiliers (gravures -40 000 ans).
L'essentiel
L'Homme appartient à l'ordre des primates.
Il possède des caractéristiques qui lui sont propres telles la bipédie (à 99 %), des mains
préhensibles avec un pouce opposable aux autres doigts, des ongles plats à l'extrémité
des doigts, un appareil visuel développé, un langage articulé, un cerveau volumineux,
etc...
Certains de ces caractères sont partagés avec les singes.
Le genre Homo fait partie de la sous-famille des Hominines, au sein de la famille des
Hominidés dont font également parti les parents fossiles humains ainsi que les grands
singes anthropomorphes.
Le genre Homo présente des particularités morphologiques : posture du squelette,
forme des membres, position de la tête, forme de la tête, etc...
Il a su se distinguer des grands singes par un ensemble de comportements
développés au cours de l'évolution et adaptés à son environnement comme l'utilisation
d'un langage articulé commun, le développement de la marche à pied (bipédie), la
production d'outils complexes répondant à ses besoins, son mode d'alimentation,
son habitat, la vie en communauté (rites funéraires) et le développement de l'art.
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Cours : Le magmatisme caractéristique des zones de subduction
Le magmatisme caractéristique des zones de
subduction
Objectif(s)
Les marges actives se caractérisent par un volcanisme très intense.
Quelle est l'origine de ce magmatisme ? Quelles sont les roches magmatiques ?
1. La production des magmas
Sur l'ensemble des roches produites en subduction, seules les roches volcaniques se
forment en surface et sont directement observables et accessibles. Quant aux autres
roches, elles ne sont accessibles que si on met en place des processus complexes pour les
recueillir.
La lithosphère qui entre en subduction est une lithosphère riche en eau. Au fur et à
mesure qu'elle s'enfonce, elle se réchauffe et va se déshydrater. De nombreux composés
sont libérés (eau, dioxyde de carbone) et vont diffuser vers le haut, c'est-à-dire vers le
manteau qui surmonte la plaque océanique, au-dessus du plan de Bénioff. La température
du manteau s'abaisse, le point de fusion des péridotites du manteau étant abaissé par
l'hydratation : il y a fusion et formation de magmas basaltiques qui vont monter dans le
manteau puis dans la croûte chevauchante. Il y a libération de magmas en surface.
Pourquoi le volcanisme des marges actives peut-il être si explosif ?
Au fur et à mesure que le magma monte, la pression diminue et la solubilité des gaz
contenus dans ce magma diminue aussi : il y a formation de bulles. Le magma épais et
homogène se transforme peu à peu en un mélange de magma et de bulles qui va avoir
tendance à remonter ; plus il monte, plus il se décomprime et plus la quantité de bulles
formées augmente : le magma devient de plus en plus léger.
Le magma des zones de subduction est un magma de type andésitique, très
visqueux et riche en gaz : les bulles formées sont petites, très nombreuses et forment une
trame qui entraîne le magma. La quantité de gaz devient supérieure à celle du liquide, et
le magma sort très violemment (des grosses bulles typiques d'un magma basaltique
remontent plus lentement, entraînent moins le magma et le dégazage se fait en douceur
avant l'éruption).
Une andésite est plus riche en silice qu'un basalte : ce détail a son importance quand on
sait que la composition chimique d'une lave est liée à la viscosité du magma.
Certains magmas montent en surface et d'autres restent en profondeur où ils cristallisent.
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Cours : Le magmatisme caractéristique des zones de subduction
2. Conséquences du magmatisme et roches magmatiques
Il existe deux types de roches au niveau des zones de subduction : des roches
volcaniques de type andésite qui cristallisent en surface et des roches plutoniques
de type granitoïde qui cristallisent en profondeur.
Les roches émises en surface et constituant les édifices volcaniques sont typiquement des
andésites associées à des produits variés. Ces laves très visqueuses riches en silice
expliquent le caractère explosif du volcanisme de subduction.
Les roches plutoniques proviennent donc d'un magma qui ne peut gagner la surface :
les bulles présentes dans le magma (= des diapirs) sont trop grosses et cristallisent avant
d'atteindre le sommet. Une roche plutonique se forme donc par cristallisation très lente
d'un magma en profondeur. Grâce à ce processus, la subduction fabrique de la croûte
continentale (l'érosion dégage ces roches plutoniques au bout de plusieurs millions
d'années).
Certaines roches recueillies correspondent à des roches métamorphiques tels le schiste
bleu et les éclogites. Les roches de la croûte océanique enfouies dans les zones de
subduction vont subir un métamorphisme sous l'action de la pression et de la
température. A partir d'un certain seuil de pression et de température, des minéraux
voisins réagissent ensemble pour donner de nouveaux minéraux stables.
Les roches de la croûte océanique sont principalement des basaltes et des gabbros.
Ceux-ci sont très hydratés et vont subir une déshydratation progressive au cours de la
subduction : cette fuite d'eau contribue à hydrater le manteau de la plaque chevauchante
et diminuer le point de fusion des péridotites comme cela a été décrit précédemment. Des
minéraux très pauvres en eau se forment au fur et à mesure que le métamorphisme se
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Cours : Le magmatisme caractéristique des zones de subduction
déroule : schistes bleus et éclogites.
L'essentiel
L'eau est l'élément déclencheur de la fusion partielle des péridotites du manteau
lithosphérique de la plaque chevauchante : cette fusion partielle du manteau est à l'origine
des magmas. L'eau est fournie par les réactions métamorphiques qui affectent les roches
de la plaque plongeante.
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Cours : Le phénotype immunitaire
Le phénotype immunitaire
Objectif(s)
Le système immunitaire d'un individu est capable de faire face à des dizaines de milliers
d'antigènes différents.
Comment fait-il la distinction entre les éléments du soi et les éléments étrangers ?
1. Maturation (ou différenciation) des lymphocytes B et T
Les lymphocytes B et T naissent dans la moelle osseuse.
Ils sont capables de produire une quantité infinie de récepteurs chargés de reconnaître
les éléments étrangers à l'organisme : les anticorps et les récepteurs T.
a. Maturation des lymphocytes B
Les lymphocytes B acquièrent leur immunocompétence, c'est-à-dire la capacité de
distinguer les éléments du soi de ceux du non soi, dans la moelle osseuse.
Les lymphocytes B immatures remanient leur génome et produisent des
immunoglobulines de surface : si cet anticorps membranaire peut reconnaître les
marqueurs membranaires présents naturellement sur les cellules de l'organisme (les
marqueurs du soi), alors le lymphocyte immature est éliminé.
Les autres se transforment en lymphocytes B immunocompétents et migrent vers les
tissus lymphoïdes secondaires : ils ne reconnaîtront que les éléments étrangers à
l'organisme.
Un lymphocyte B reconnaît les antigènes solubles.
b. Maturation des lymphocytes T
Elle a lieu dans le thymus.
L'acquisition de leur immunocompétence est plus complexe que dans le cas précédent car
les LT sont spécialisés dans la reconnaissance des antigènes fixés sur les membranes
cellulaires.
Finalement ne sont conservés que les LT capables de reconnaître tous les antigènes «
présentés » par une cellule.
L'ensemble de tous ces récepteurs (anticorps et récepteurs T) constitue le répertoire
immunitaire de l'individu.
Il est remarquablement diversifié.
Il est à noter que toute erreur au cours de l'acquisition de l'immunocompétence des LB et
des LT peut conduire à des maladies auto-immunes où l'organisme s'attaque à ses propres
cellules.
2. Génotype et environnement
Dans les conditions naturelles, tous les individus ne sont pas confrontés aux mêmes
antigènes : certains présents en Afrique par exemple ont complètement disparu du
continent européen.
Par conséquent, certains clones de lymphocytes sont particulièrement développés dans
certaines populations, étant donné que les antigènes sélectionnent des clones
lymphocytaires. On possède donc des populations de cellules mémoires qui varient
d'un sujet à l'autre.
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Cours : Le phénotype immunitaire
En revanche, les campagnes de vaccinations à l'échelle nationale voire mondiale ont
tendance à faire évoluer le phénotype immunitaire des individus.
L'essentiel
Chaque individu possède un répertoire immunitaire qui lui est propre.
Tout au long de sa vie, son phénotype immunitaire va évoluer en fonction des
différents antigènes rencontrés.
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Cours : Le réflexe myotatique
Le réflexe myotatique
Objectif(s)
Dans quelles situations est impliqué le réflexe myotatique ?
Quels sont les éléments impliqués dans l’arc réflexe ?
Quel est le trajet de l’information lors de la mise en jeu du réflexe myotatique ?
1. Généralités
Le réflexe myotatique déclenche une contraction d’un muscle en réponse à son
propre étirement. Il permet le maintien des postures dans l’espace en assurant une
contraction légère des muscles, il s’agit du tonus musculaire. Il intervient également
dans le rétablissement de notre position suite à un déséquilibre, afin d’éviter une
chute par exemple.
Le réflexe myotatique est également un outil de diagnostic qui permet de vérifier le
bon fonctionnement du système neuromusculaire. Par exemple, on utilise le réflexe
achilléen pour diagnostiquer une sciatique car il peut disparaître chez un patient atteint
par cette pathologie.
Le médecin, à l’aide d’un marteau, tape sur un tendon (tendon rotulien du genou ou
tendon d’Achille). Le choc provoque une contraction du muscle étiré. Le muscle
quadriceps se contracte. La jambe se lève dans le cas du réflexe rotulien. Le pied
se tend dans le cas du réflexe achilléen.
On peut observer chez certains paraplégiques que malgré des lésions importantes de
la moelle épinière, ils ont pu conserver une activité réflexe dans certaines zones de
leur corps et notamment dans leurs jambes.
Ceci démontre que le traitement de l’information lors du réflexe myotatique ne
concerne pas le cerveau mais uniquement la moelle épinière.
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Cours : Le réflexe myotatique
Doc. 1 : Anatomie de la moelle épinière.
2. Historique des expériences menées sur le réflexe myotatique
François Magendie (1783-1855), démontra la différence entre les nerfs moteurs et
les nerfs sensitifs. De plus, il précisa la fonction des racines antérieures et
postérieures de la moelle épinière.
Les expériences de Magendie (1822) sont utiles pour comprendre le rôle de différentes
structures impliquées dans le réflexe myotatique.
On représente en rose foncé les parties des voies nerveuses qui disparaissent suite
aux sections : il faut savoir que lorsqu’on coupe un neurone, seule la partie qui
contient le corps cellulaire (donc le noyau), survit. Le reste dégénère et disparaît.
Voici les schémas des expériences :
• Expérience 1 :
• Expérience 2 :
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Cours : Le réflexe myotatique
• Expérience 3 :
Observations
à court terme
Observations
à long terme
Interprétation
des résultats
Expérience 1 :
le nerf rachidien est
sectionné.
Perte de la sensibilité
et de la motricité.
Les fibres du nerf
rachidien dégénèrent à
partir de la section
jusqu’aux récepteurs
sensoriels et aux
muscles.
Les messages
sensoriels partant des
récepteurs sensoriels
vers les centres
nerveux et les
messages moteurs
provenant des centres
nerveux vers les
muscles passent par le
nerf rachidien.
Concernant les
dégénérescences, elles
permettent de situer
l’endroit où se trouve
le corps cellulaire des
neurones.
Expérience 2 :
section de la racine
postérieure de part
et d’autre du
ganglion rachidien.
Perte de la
sensibilité.
Toutes les fibres de
la racine postérieure
dégénèrent sauf
entre les deux
sections, (on
remarque que le nerf
rachidien dégénère
aussi en partie).
Seule la sensibilité
disparaît, les
messages nerveux
sensoriels passent
donc par la racine
postérieure puisque
c’est elle qui a été
sectionnée.
Les messages
moteurs semblent
passer par la racine
antérieure puisqu’ils
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Expérience 3 :
section de la racine
ventrale.
Perte de la
motricité.
Toutes les fibres de
la racine antérieure
dégénèrent, (on
remarque que le
nerf rachidien
dégénère aussi en
partie mais
différemment de
l’expérience
précédente).
La disparition de la
motricité confirme
le rôle de la racine
antérieure dans le
parcours des
messages
nerveux moteurs.
Par ailleurs ; la
persistance d’une
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Cours : Le réflexe myotatique
3. L'arc réflexe
La partie des
cellules nerveuses
qui est séparée du
corps cellulaire ne
peut survivre.
On peut conclure que
les corps cellulaires
des cellules
nerveuses
afférentes et
efférentes se
trouvent dans les
racines ou dans la
moelle épinière.
a. Les éléments qui constituent l’arc réflexe
Le réflexe myotatique met en jeu différents éléments :
persistent.
Quant à la
localisation, les
corps cellulaires
des neurones
constituant la
racine postérieure
se trouvent dans le
ganglion rachidien
puisqu’il ne
disparaît pas.
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partie de la racine
antérieure montre
que les corps
cellulaires des
motoneurones se
trouvent dans la
moelle épinière.
• des récepteurs sensoriels appelés fuseaux musculaires qui sont sensibles à
l’étirement du muscle. Ils sont notamment constitués par les terminaisons de neurones
sensoriels.
• des neurones sensoriels qui parviennent jusqu’à la moelle épinière. Les corps
cellulaires de ces neurones se trouvent dans les ganglions rachidiens des racines dorsales.
• des motoneurones efférents partant de la moelle épinière qui contrôlent la
contraction des muscles. Leur corps cellulaire se trouve dans la substance grise.
• d’autres motoneurones qui parviennent aux muscles antagonistes et dont la
contraction est inhibée pendant le réflexe myotatique.
• des interneurones inhibiteurs dans la substance grise qui assurent les connexions
entre les neurones afférents et les motoneurones des muscles antagonistes. Leur rôle est
d’empêcher toute contraction de ces derniers.
L’ensemble constitue l’arc réflexe.
b. Étude d’un exemple : le réflexe myotatique rotulien
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Cours : Le réflexe myotatique
A - Le fuseau neuromusculaire détecte un étirement involontaire du muscle.
B - Un message nerveux sensoriel est élaboré et parcourt la fibre nerveuse
sensorielle jusqu’à la substance grise de la moelle épinière.
La moelle épinière fait office de centre nerveux où est traitée l’information.
Deux neurones y sont stimulés (+ sur le schéma) :
C - Un motoneurone innervant le muscle extenseur. Un message nerveux parcourt la
fibre nerveuse et induit une contraction musculaire de l’extenseur : la jambe se lève (D).
E - Un interneurone inhibiteur est également stimulé. Ce dernier va empêcher tout
message nerveux d'arriver sur le motoneurone associé au muscle antagoniste fléchisseur
(- sur le schéma) : ce dernier ne peut plus se contracter.
On constate que seule une synapse intervient sur le parcours du message nerveux
du récepteur sensoriel jusqu’au muscle effecteur. Il s’agit donc d’un circuit neuronique
monosynaptique. La durée de propagation du message nerveux est donc limitée au
maximum, permettant ainsi une réponse musculaire quasi-immédiate.
Par contre, entre le récepteur sensoriel et le muscle antagoniste, on constate la présence
de deux synapses. Le circuit inhibiteur est donc polysynaptique.
L'essentiel
Le réflexe myotatique déclenche une contraction d’un muscle en réponse à son
propre étirement. Il permet le maintien des postures dans l’espace.
Les expériences de Magendie (1822) sont utiles pour comprendre le rôle de
différentes structures impliquées dans le réflexe myotatique.
Lorsqu’on coupe un neurone, seule la partie qui contient le corps cellulaire (donc le
noyau), survit. Le reste dégénère et disparaît.
Le réflexe myotatique met en jeu différents éléments :
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Cours : Le réflexe myotatique
• des récepteurs sensoriels ;
• des neurones sensoriels ;
• des motoneurones efférents ;
• d’autres motoneurones ;
• des interneurones inhibiteurs.
Seule une synapse intervient sur le parcours du message nerveux du récepteur
sensoriel jusqu’au muscle effecteur. Il s’agit donc d’un circuit neuronique
monosynaptique. La durée de propagation du message nerveux est donc limitée au
maximum, permettant ainsi une réponse musculaire quasi-immédiate.
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Cours : Le rôle des LT4
Le rôle des LT4
Objectif(s)
Un antigène présent dans l'organisme peut être à l'origine de la production d'anticorps
spécifiques. Présenté par une cellule phagocytaire, il peut activer des LT8 qui se
différencieront en LTc.
Les LT4 sont également activés, mais quel est leur rôle au niveau de cette réponse
immunitaire ? Comment agissent ces LT4 ?
1. Activation des LT4
Comme les LT8, les LT4 prennent naissance dans la moelle osseuse et acquièrent leur
immunocompétence dans le thymus avant de migrer vers les tissus lymphoïdes
secondaires.
Ils possèdent au niveau membranaire des récepteurs T capables de reconnaître des
antigènes présentés en surface des cellules phagocytaires et d'autres cellules
présentatrices d'antigènes.
Cette reconnaissance permet leur sélection clonale et leur prolifération clonale.
Après multiplication, une partie des LT4 constituent un pool de LT4 mémoire, tandis que
l'autre partie se différencie en LT4 sécréteurs.
2. Le rôle des LT4
Suite à l'entrée d'un antigène dans l'organisme, différents mécanismes se mettent en
place :
• phagocytose et présentation de l'antigène aux LT8 et LT4.
Les LT8 prolifèrent et se différencient en LTc responsables de la destruction des cellules
anormales.
Les LT4 prolifèrent, certains devenant des LT4 mémoire et d'autres des LT4 sécréteurs.
• stimulation de clones de lymphocytes B : c'est la prolifération clonale, avec la
formation d'un pool de LB mémoire et d'autres qui se différencient en plasmocytes
sécréteurs d'anticorps.
Les LT4 sécréteurs libèrent des médiateurs chimiques, les interleukines (IL), dont l'IL2
qui les auto-active.
L'IL2 stimule donc la prolifération des LT4 et la sécrétion d'IL2 ; c'est une autostimulation.
Les interleukines sont aussi nécessaires à la prolifération clonale des LB et
des LT8, et à leur différenciation en plasmocytes et LTc.
Les LT4 sont donc véritablement au centre des réactions immunitaires : on
comprend mieux pourquoi, lorsque le taux de LT4 chute, l'individu est immunodéprimé et
les défenses immunitaires très affaiblies (par exemple, dans le cas du sida).
Dans le cas du virus VIH, différents mécanismes sont à l'origine de la destruction des
LT4 :
• la mort causée par la multiplication des virus : les LT4 sont leurs principales cellules
cibles. Leur multiplication et libération entraînent la destruction des lymphocytes. Mais ce
processus reste peu important.
• la mort par apoptose, soit par les LTc qui reconnaissent les LT4 comme étant des
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Cours : Le rôle des LT4
cellules étrangères, soit par le VIH lui-même qui commande le suicide des LT4.
L'essentiel
En sécrétant des interleukines, les LT4 permettent la prolifération et la différenciation des
LB et LT8 sélectionnés : ils sont donc au centre des réponses immunitaires
spécifiques.
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Cours : Les anomalies de la méiose
Les anomalies de la méiose
Objectif(s)
Quelles sont ces anomalies ? Quand se produisent-elles précisément ? Quelles en sont les
conséquences ?
Que s'est-il passé au niveau des gènes des familles multigéniques ? Comment des gènes
peuvent-ils être apparentés ?
1. Les anomalies méiotiques sources de troubles
Le caryotype caractérise chaque espèce : la méiose et la fécondation sont à l'origine de la
variabilité des individus mais elles assurent la stabilité du stock chromosomique.
Toutefois, certaines erreurs peuvent se produire au cours de la méiose et entraîner des
anomalies chromosomiques.
a. Les erreurs méiotiques en division réductionnelle
En anaphase I, il y a absence de disjonction d'une paire de chromosomes
homologues.
Les conséquences sont qu'à l'issue de la méiose, on obtient deux gamètes avec un
chromosome surnuméraire (une paire complète) et deux gamètes avec un
chromosome en moins.
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Cours : Les anomalies de la méiose
Exemple :
Chez l'homme, on obtiendrait 2 gamètes avec 24 chromosomes et 2 gamètes avec 22
chromosomes, au lieu des 23 chromosomes habituels.
Les résultats de la fécondation sont les suivants :
• un gamète à 24 chromosomes et un gamète normal amènent à un cas de trisomie,
avec un chromosome en 3 exemplaires ;
• un gamète à 22 chromosomes et un gamète normal amènent à un cas de monosomie,
avec un chromosome en 1 exemplaire seulement.
b. Les erreurs méiotiques en division équationnelle
En anaphase II, après une division des centromères, les 2 chromatides sœurs migrent
vers le même pôle : on obtient alors des gamètes anormaux avec un chromosome
surnuméraire et un déficitaire.
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Cours : Les anomalies de la méiose
Les conséquences sont identiques à celles citées précédemment.
Toutes ces erreurs affectent aussi bien les autosomes que les gonosomes.
Dans le cas d'une cellule œuf anormale viable, toutes les anomalies seront transmises
aux cellules filles lors des divisions par mitoses.
c. Les principales anomalies chez l'homme
• Les trisomies
Les gonosomes et tous les autosomes sont concernés, mais certaines trisomies sont plus
fréquentes.
Exemples :
La trisomie 21 ou syndrome de Down.
Sa fréquence est de un nouveau-né sur 700. Elle affecte la 21 e paire de chromosomes, qui
comprend 3 chromosomes au lieu de 2. La personne atteinte de trisomie 21 a des traits
caractéristiques, un handicap mental, des malformations internes, etc...
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Cours : Les anomalies de la méiose
La trisomie XXY ou syndrome de Klinefelter (caryotype : 47, XXY).
Sa fréquence est de 1 / 700. Le syndrome touche les personnes de sexe masculin.
L'homme est stérile et sa pilosité peu développée. Il a des caractères physiques féminins
(seins...). Son intelligence est normale (les cas de débilité mentale profonde sont rares).
• Les monosomies
Les monosomies se traduisent par la perte d'un chromosome.
Seule la monosomie X est viable chez l'homme. Toutes celles qui affectent les autosomes
sont non viables.
Exemple :
La monosomie X ou syndrôme de Turner (caryotype : 45, XO).
Sa fréquence est de 1 / 2700. Le caryotype ne présente qu'un chromosome sexuel, X,
donc 45 chromosomes en tout. Cette monosomie affecte les femmes. Elles sont stériles,
impubères et de taille anormale (nanisme).
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Cours : Les anomalies de la méiose
• La triploïdie
La cellule œuf possède 3n chromosomes. Le caryotype est non viable.
2. Les familles multigéniques source de diversité
Les scientifiques ont constaté, au sein d'une espèce donnée, que de nombreuses protéines
possèdent des séquences en acides aminés très comparables et très voisines : cela
ne peut pas être le fruit du hasard.
Il existe, chez l'homme, de nombreuses protéines possédant des séquences très voisines,
avec seulement quelques acides aminés qui diffèrent. Les protéines étant des
macromolécules qui résultent de l'expression des gènes, cela signifie qu'elles
proviennent de gènes eux-mêmes très proches, avec des séquences parfaitement
homologues : ces ensembles de gènes très apparentés et similaires constituent une
famille multigénique.
Ces gènes apparentés occupent des loci différents au niveau du génome et ne
doivent pas être confondus avec les allèles qui, eux, sont situés au même locus (les
différents allèles d'un même gène sont toujours au même emplacement sur un
chromosome : le locus).
Tous ces gènes dérivent d'un seul et unique gène ancestral qui aurait subi de
nombreuses duplications (= copies) et des mutations indépendantes : on obtient
finalement des gènes différents mais très similaires.
On admet que 20 % au moins de similitude entre deux protéines indique une
origine commune. De plus, le degré de similitude entre deux gènes renseigne sur le
temps écoulé depuis la copie du gène ancestral, si on admet que les mutations se
produisent avec une fréquence faible mais régulière, et qu'elles s'accumulent au fil du
temps : plus les gènes sont semblables, plus la duplication dont ils sont issus est
récente.
Grâce aux duplications de gènes, le génome de l'espèce humaine s'est très nettement
enrichi et les phénotypes se sont diversifiés. Le nombre de gènes a considérablement
augmenté au cours de l'évolution, avec production de protéines aux séquences en acides
aminés similaires mais aux fonctions très différentes : ces molécules sont homologues.
L'accumulation de mutations dans un gène fait apparaître de nouvelles fonctions.
Les innovations génétiques sont à l'origine du polymorphisme actuel. Ces innovations
génétiques sont aléatoires, leur évolution dépend de la sélection naturelle.
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Cours : Les anomalies de la méiose
L'essentiel
La non-séparation des chromosomes au cours des deux divisions de la méiose lors de
la formation des gamètes peut amener à des anomalies chromosomiques, dont la
plupart sont non viables. Elles sont source de troubles dans le génome humain :
trisomies, monosomies, etc...
Chaque espèce possède des gènes similaires dits apparentés qui résultent d'un seul et
unique gène ancestral : ils codent pour des protéines aux séquences semblables mais
aux fonctions spécifiques.
L'étude des séquences en acides aminés de telles protéines et des séquences en
nucléotides des gènes permet de déterminer le degré de parenté entre les molécules.
L'accumulation de mutations dans un gène fait apparaître de nouvelles fonctions.
Les innovations génétiques sont à l'origine du polymorphisme actuel. Ces
innovations génétiques sont aléatoires, leur évolution dépend de la sélection naturelle.
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Cours : Les changements de climat depuis 700 000 ans
Les changements de climat depuis 700 000 ans
Objectif(s)
Actuellement, les scientifiques s'accordent pour dire que le climat sur Terre est en train de
changer. Mais, pour tirer des conclusions rigoureuses et mieux comprendre les
phénomènes à l'origine de ces variations de climat, les paléoclimatologues recherchent des
indices afin de reconstituer les climats passés.
Quels indices existent ? Quels renseignements apportent-ils ?
1. Les glaces polaires
Comment les glaces peuvent-elles apporter des indices sur les climats passés ?
La neige est un ensemble de cristaux de glace.
Lorsqu'elle se tasse, les cristaux se transforment en granules qui vont donner de la glace
en se soudant. En s'accumulant, ils piègent de l'air et des bulles vont se retrouver incluses
dans la glace.
Au fil des années, la glace se dispose en couches successives qu'il est possible d'analyser
grâce aux forages dans les calottes polaires et les glaciers.
C'est l'analyse des bulles d'air qui renseigne sur la teneur en oxygène, en CO 2 et méthane.
L'analyse des poussières de la glace est aussi effectuée.
L'eau étant composée d'hydrogène et d'oxygène, on s'intéresse à leurs isotopes, le
deutérium D et 18 O.
Concernant l'oxygène, c'est le rapport 18 O/ 16 O qui est étudié.
Les variations de températures sont déduites de ce rapport et de la composition isotopique
de la glace.
Des mesures ont montré que la proportion d'oxygène lourd dans les eaux de pluies et les
chutes de neige actuelles diminue avec la température. On utilise cette propriété pour
interpréter le rapport 18 O/ 16 O, en partant du principe que la corrélation était la même
dans le passé.
Les résultats montrent que plus il fait froid, plus le rapport 18 O/ 16 O est faible (c'est le
même constat pour le rapport D/ 1 H).
L'analyse de calottes de glace à différentes profondeurs permet donc de mettre en
évidence les variations locales de températures du passé.
2. Les sédiments océaniques
La planète a connu des périodes de glaciation et de baisse de température qui ont eu des
répercussions sur la température des océans et la vie aquatique.
Que nous apportent les sédiments océaniques ?
Ces sédiments contiennent des restes d'animaux et de végétaux qui se sont déposés sur
le fond.
• Parmi les sédiments, les foraminifères sont des animaux unicellulaires qui formaient le
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Cours : Les changements de climat depuis 700 000 ans
zooplancton. Ils possèdent un test carbonaté, c'est-à-dire une coquille formée de
carbonate de calcium, dont la composition en 18 O et en 16 O varie avec les conditions du
milieu (dont la température).
Ces tests renseignent donc sur la température de l'eau de mer.
• Ils renseignent également sur le volume des glaces continentales.
En effet, l'eau subit un cycle.
L'évaporation de l'eau se fait à partir des océans dans les zones équatoriales. La vapeur
d'eau formée contient un pourcentage d' 18 O très faible par rapport à celui de l'eau de
l'océan.
En se rapprochant des pôles, l'air perd de son humidité car la vapeur d'eau se condense
en eau liquide. A chaque condensation, la vapeur d'eau s'appauvrit de plus en plus en 18 O
car celui-ci se retrouve dans les précipitations. Plus la température du lieu de
condensation est faible et plus le taux en 18 O de la vapeur d'eau sera faible.
Ce cycle est en équilibre, c'est-à-dire qu'il sort autant d'eau par évaporation qu'il n'en
rentre par les fleuves et les précipitations : le volume de l'océan ne change pas de façon
significative.
Or, en période de glaciation, il y a un déséquilibre : le volume de l'océan baisse et le taux
d' 18 O dans l'eau augmente. Ce sont des foraminifères de grande profondeur qui sont pris
comme référence, car dans ces zones profondes la température de l'eau varie peu et est
constante à une époque donnée.
Les forages dans les sédiments permettent d'étudier les variations en 18 O/ 16 O de l'eau
de mer au cours du temps ; ils renseignent sur la variation du niveau des mers et du
volume des glaces, donc sur les variations climatiques.
Plus il fait froid, plus le volume de glace sur les continents est élevé et plus le rapport
18 O/ 16 O mesurés dans les tests augmente.
Les résultats obtenus à partir de l'analyse des glaces et des sédiments océaniques sont
parfaitement corrélés.
3. Sédiments des lacs et tourbières
L'accumulation des sédiments au fond des lacs peut renseigner sur les variations
climatiques. En périodes froides, les apports de particules détritiques dans le lac
augmentent, celui-ci se comble peu à peu, des craies se forment et de la tourbe se
dépose. La sédimentation lacustre est modifiée et on observe une sédimentation
détritique.
Les sédiments des lacs et tourbières contiennent d'autres indices précieux : des pollens
et spores qui ont été conservés.
Ces cellules reproductrices sont très résistantes et peuvent se fossiliser si elles sont sur un
support appauvri en oxygène, comme les sédiments.
Leur analyse permet d'établir un spectre pollinique avec des indications sur les végétaux
dont ils sont issus car ils sont caractéristiques de l'espèce végétale qui les produit, et des
indications sur la végétation environnante car les végétaux sont directement dépendants
du climat.
Au cours des périodes froides, c'est une flore riche en graminées qui prolifèrent, tandis
qu'en période chaude, ce sont les arbres et forêts qui dominent.
Ex. : La tourbière de la Grande-Pile dans les Vosges renferme une accumulation de pollens
préservés sur environ 140 000 ans !
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Cours : Les changements de climat depuis 700 000 ans
L'essentiel
Les paléoclimatologues disposent de nombreux indices pour étudier les variations
climatiques : analyse isotopique de l'air emprisonné dans les carottes glaciaires, analyse
isotopique des tests de foraminifères, études des sédiments des lacs et tourbières et des
pollens qu'ils renferment.
Tous les résultats sont corrélés : la planète a subi des alternances de périodes froides et
chaudes au cours des 700 000 dernières années.
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Cours : Les mécanismes de défense d'une plante
Les mécanismes de défense d'une plante
Objectif(s)
Les plantes ayant une vie fixée, elles sont vulnérables, elles ne peuvent comme les
animaux s'enfuir pour échapper à un prédateur ou à de mauvaises conditions
environnementales.
Elles ont développé au cours de l'évolution des moyens de défense contre les prédateurs
mais aussi contre les agressions du milieu environnant.
Quels sont les mécanismes de défense d'une plante ?
1. Mécanismes de défense contre les agressions du milieu
Les plantes des milieux tempérés comme en France doivent faire face aux changements
de saisons. Ayant une vie fixée, elles subissent les aléas climatiques. Cependant, les
plantes ont du s'adapter en développant des mécanismes de défense contre les fortes
chaleurs en été ou le froid glacial de l'hiver.
a. Résistance à la sécheresse
Les plantes possèdent une très grande surface foliaire sensible à la chaleur, l'été il leur
faut lutter contre la déshydratation. Il leur faut donc capter le plus d'eau très rapidement
et la conserver le plus longtemps possible.
• Une cuticule cireuse
Toutes les feuilles présentent un épiderme recouvert d'une cuticule épaisse, protection
mécanique mais rendant la feuille imperméable. La circulation de la vapeur d'eau se fera
uniquement par les stomates. La plante conserve ainsi un maximum d'eau et régule ellemême
sa transpiration par les stomates.
Exemple : le houx, la myrte.
• Pilosité
Dans les milieux très sec, ou bien encore dans les déserts, les plantes ont développé des
poils sur les feuilles permettant de maintenir une atmosphère humide de quelques
millimètres autour de la feuille. De plus, ces plantes s'enroulent sur elle-même pour
cloisonner cette atmosphère humide.
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Cours : Les mécanismes de défense d'une plante
Exemple : c'est le cas de l'Oyat qui vit sur les dunes près des plages ou de la sauge.
• Couleur argentée
Certaines plantes adoptent une couleur argentée sur la face externe de la feuille pour
refléter au maximum la lumière du soleil et ainsi éviter l'accumulation de chaleur.
Exemple : L'olivier, Cinéraire.
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Cours : Les mécanismes de défense d'une plante
• Organes de stockage
Dans les milieux à fortes variations de précipitations, les plantes doivent stocker un
maximum d'eau pendant les périodes pluvieuses pour ne pas en manquer durant les
périodes de sécheresse. Elles ont donc développé des organes de stockages (tige,
racine...) où les cellules vont se gorger d'eau.
Exemple : Les cactées, le pied d'éléphant.
b. Résistance au gel
• Perte des feuilles
Pour pouvoir passer l'hiver et supporter la baisse des températures qui endommagerait les
tissus de la plante, certaines plantes perdent leurs feuilles (les arbres caduques) et
produisent des bourgeons très résistants (structures écailleuses protégeant les futures
jeunes pousses) et entrent en dormance tout l'hiver, attendant ainsi le retour de la belle
saison.
• Vie dans le sol
Les plantes vivaces quant à elles, perdent leurs organes aériens à la mauvaise saison et
passent l'hiver dans le sol où la température est plus clémente et peu variable.
C'est le cas de la Pomme de terre qui passe l'hiver sous forme de tubercule, ou l'oignon
sous forme de bulbe.
• Graines
Les plantes annuelles (qui ne vivent qu'un an, les plantes dites herbacées) passent la
mauvaise saison sous forme de graine qui germera au printemps (les œillets, le myosotis).
• Antigel
D'autres comme la Joubarbe, développent des mécanismes d'antigel qui permettent à
leurs cellules de ne pas geler. Elles vont diminuer la quantité d'eau dans leurs cellules
(essentiellement la vacuole) et donc augmenter la concentration des substances dissoutes.
C'est le cas de nombreuses plantes vivant à haute altitude en montagne, en Sibérie où la
température est très basse.
c. Résistance à la salinité
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Cours : Les mécanismes de défense d'une plante
En bord de mer, les plantes doivent faire face à un taux de sodium dans l'eau très
élevé. Le sel est très mauvais pour elles car il provoque un stress salin toxique pour la
plante.
La salinité peut aussi être augmentée par certaines pratiques agricoles.
Deux solutions sont utilisées par les plantes :
• L'exclusion
La première solution consiste à empêcher le sel (Na + ) de rester dans la plante en limitant
sont entrée par les racines ou en l'excrétant par les racines ou par transpiration
foliaire.
• L'inclusion
Il s'agit dans ce cas d'isoler le sel du reste des organes de la plante en le stockant
dans les vacuoles (compartiments fermé).
Exemple : la salicorne.
2. Mécanismes de défense contre les prédateurs
Les plantes sont les proies privilégiées des animaux phytophages (herbivores) et autres
parasites (champignon, virus...), ne pouvant fuir, elles ont développé des moyens de lutte.
Ces moyens de lutte peuvent être :
• Physiques, c'est à dire que la plante a développé des structures anatomiques
particulières pour dissuader les prédateurs de la dévorer. On dénote les épines présentes
sur les tiges ou les feuilles des plantes (exemple l'Acacia, le Rosier), des poils urticants
(exemple l'ortie).
• Chimiques, la plante produit alors des substances qui la rende indigeste (tanins), des
odeurs qui font fuir les prédateurs ou des composés phénoliques bactéricides et
fongicides (plantes aromatiques).
• Une coopération dans la lutte contre les prédateurs, à la fois entre les feuilles d'un
même individu ou entre les individus.
Suite à une agression par un prédateur, les organes endommagés vont produire des
molécules dans l'air qui vont avertir le reste de l'individu (plante ou arbre) ou les autres
individus aux alentours.
Exemple : L'acacia va produire énormément de tanins dans ses feuilles quelques
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Cours : Les mécanismes de défense d'une plante
minutes après qu'une antilope ait commencé à le dévorer, les feuilles devenant indigestes,
l'animal ira brouter ailleurs, c'est pourquoi le prédateur ne broute jamais en entier, ni très
longtemps, le même arbre.
De la même façon lorsqu'un Pin est attaqué par des chenilles processionnaires il avertit
ses voisins en envoyant des composés chimiques et ceux-ci vont produire une toxine
les protégeant.
L'essentiel
Les plantes ayant une vie fixée, elles possèdent des structures et des mécanismes de
défense contre les agressions du milieu, les variations saisonnières et les prédateurs.
Elles ont ainsi développé des moyens pour résister :
• à la sécheresse (cuticule, pilosité, couleur, organes spécialisés...) ;
• au gel (perte des feuilles, antigel, graines...) ;
• à la salinité (inclusion, exclusion du Na + ) ;
• aux prédateurs (toxines, odeurs, coopération).
Ces mécanismes et défenses sont des adaptations des plantes à leur milieu, améliorées et
sélectionnées au cours de l'évolution. Elles sont aussi variées et spécifiques que les milieux
de vie des plantes.
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Cours : Les mécanismes de la méiose
Les mécanismes de la méiose
Objectif(s) :
Comment se forment les gamètes haploïdes.
Quelles sont les principales étapes de la méiose.
Au cours d'un cycle de développement sexué, une phase diploïde (chromosomes en
double exemplaire) et une phase haploïde (chromosomes en un seul exemplaire)
s'alternent.
Chez l'homme où la phase diploïde domine, nous allons voir comment la méiose
permet la production de gamètes haploïdes.
Pour les hommes, cette production se déroule pendant la spermatogenèse de la
puberté jusqu'à un âge avancé. Pour les femmes, elle se déroule pendant l'ovogenèse
qui débute dès la vie fœtale et ne se terminera qu'à la fécondation (les ovocytes non
fécondés sont bloqués en métaphase II).
La méiose est la succession de deux divisions cellulaires. Cette division est précédée
d'un doublement de la quantité d'ADN : la réplication.
Dans son schéma général, elle produit quatre cellules haploïdes à partir d'une cellule
diploïde.
Doc. 1 : Variations de la quantité d'ADN au cours de la méiose.
1. La première division de la méiose
La première division de la méiose est une phase réductionnelle, où le stock de
chromosomes et la quantité d'ADN sont divisés par deux. Elle assure ainsi le passage
de la diploïdie à l'haploïdie.
Cette étape est précédée d'une phase de réplication d'ADN.
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Cours : Les mécanismes de la méiose
Les étapes sont les suivantes :
• La prophase I : les chromosomes doubles s'individualisent et se condensent.
Les chromosomes homologues s'apparient sur toute leur longueur, s'enchevêtrent et
forment des bivalents (ou tétrades) : ceux-ci sont fixés au niveau des chiasmas. On
distingue alors n bivalents.
C'est au cours de cette prophase de première division de méiose que se réaliseront les
brassages intrachromosomiques ou « crossing-over » (cet aspect est traité dans un autre
chapitre).
• La métaphase I : la condensation des chromosomes est maximale, les bivalents se
disposent de façon aléatoire au niveau de la plaque équatoriale de la cellule. Les deux
chromosomes de chaque paire se font face, car les centromères sont disposés de part et
d'autre de cette plaque.
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Cours : Les mécanismes de la méiose
• L'anaphase I : c'est la séparation des chromosomes homologues de chaque paire (on
parle de disjonction) et leur migration vers un pôle de la cellule.
Il se constitue deux lots de n chromosomes à deux chromatides vers chacun des pôles de
la cellule. Il n'y a pas de division des centromères.
• La télophase I : c'est la formation de deux cellules haploïdes à n chromosomes
doubles.
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Cours : Les mécanismes de la méiose
2. La deuxième division de la méiose
C'est la division équationnelle de la méiose.
Elle a toutes les caractéristiques de la mitose, mais n'est pas précédée d'une inter-phase.
Elle produit à partir de chaque cellule à n chromosomes doubles, deux cellules à n
chromosomes simples.
• Prophase II : elle est presque identique à la prophase I, mais les chromosomes sont
déjà sous forme condensée donc il n'y a pas cette mise en place que l'on avait en
prophase I.
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Cours : Les mécanismes de la méiose
• Métaphase II : les chromosomes se placent sur la plaque équatoriale.
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Cours : Les mécanismes de la méiose
• Anaphase II : c'est la disjonction des chromatides d'un même chromosome et
migration des chromosomes maintenant à 1 chromatide vers les pôles opposés de la
cellule.
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Cours : Les mécanismes de la méiose
• Télophase II :séparation des cellules en 4 cellules de n chromosomes à 1 chromatide.
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Cours : Les mécanismes de la méiose
L'esseniel
La méiose permet la production de gamètes haploïdes.
La méiose est la succession de deux divisions cellulaires précédées d'une
réplication.
Dans son schéma général, elle produit quatre cellules haploïdes à partir d'une cellule
diploïde.
La première division de la méiose est une phase réductionnelle, où le stock de
chromosomes et la quantité d'ADN sont divisés par deux.
La deuxième division de la méiose est une phase équationnelle.
Elle a toutes les caractéristiques de la mitose, mais n'est pas précédée d'une inter-phase.
Elle produit à partir de chaque cellule de la première division à n chromosomes doubles,
deux cellules à n chromosomes simples.
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Cours : Les outils de la photosynthèse
Les outils de la photosynthèse
Objectif(s)
Les végétaux sont capables de convertir l'énergie lumineuse en énergie chimique qu'ils
emmagasinent dans des molécules organiques : c'est la photosynthèse.
Quels sont les outils nécessaires à ce processus ?
1. Notions d'autotrophie et d'hétérotrophie
a. Autotrophie
Les végétaux sont des êtres autotrophes (du grec autos, « soi-même », et trophe,
« nourriture ») : ils se nourrissent exclusivement de nutriments minéraux (eau, CO 2, sels
minéraux) et ils sont capables de produire leur propre matière organique.
Les végétaux sont des producteurs primaires de matière organique, ils alimentent toute
la chaîne alimentaire (ex. : les arbres, les algues, etc.).
b. Hétérotrophie
Les êtres vivants qui, en plus de l'eau et des sels minéraux, doivent trouver dans leur
nourriture des constituants organiques car ils sont incapables de les synthétiser, sont dits
hétérotrophes (du grec heteros, « autre »).
Ces êtres vivants qui utilisent de façon directe ou indirecte la matière organique végétale
sont des producteurs secondaires.
2. Les outils de la photosynthèse
a. Le dioxyde de carbone CO2
Le carbone se trouve à l'état oxydé dans l'atmosphère sous forme de CO 2 et à l'état réduit
dans la matière organique.
Il existe un véritable cycle du carbone :
• Le carbone minéral (CO 2 atmosphérique et CO 2 dissous dans l'eau) est utilisé par les
producteurs primaires pour la fabrication de leur matière organique lors de la
photosynthèse : le carbone passe d'un état oxydé à un état réduit (carbone
organique).
• Les producteurs secondaires vont consommer de cette matière organique, l'oxyder et
libérer du CO 2 dans l'atmosphère. Le carbone est donc recyclé en continu.
La présence de CO2 est indispensable à la photosynthèse.
b. La lumière
Une plante verte placée à l'obscurité dépérit rapidement, donc la photosynthèse
nécessite de la lumière.
Les végétaux convertissent cette énergie lumineuse en énergie chimique : ce sont des
photo-autotrophes.
Cette énergie chimique est emmagasinée dans des molécules organiques, dont les
glucides : l'amidon est une forme de réserve importante des végétaux ; c'est un
polyholoside (polymère de glucose) facilement mis en évidence par l'eau iodée qui se
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Cours : Les outils de la photosynthèse
teinte en bleu foncé.
Les végétaux n'absorbent qu'à certaines longueur d'ondes : aux extrémités du spectre
visible dans les couleurs bleu et rouge. Ils n'absorbent pas dans le vert, d'où leur
coloration verte.
c. Feuille verte et chloroplastes
Seules les parties vertes de la plante (feuilles et tiges éventuellement) réalisent
la photosynthèse.
Une coupe de feuille révèle plusieurs tissus :
• L'épiderme supérieur : c'est un tissu superficiel, formé d'une couche unique de
cellules. La paroi externe des cellules est épaissie par la cuticule. Le parenchyme
chlorophyllien : il possède de nombreux chloroplastes (organites cellulaires spécifiques
des végétaux) qui contiennent le pigment vert responsable de la couleur des feuilles, la
chlorophylle.
A l'intérieur du chloroplaste se trouve le stroma et de nombreux sacs aplatis, appelés
thylakoïdes (les empilements denses de thylakoïde sont des grana). Les chloroplastes
sont le siège de la photosynthèse.
Ce parenchyme laisse apparaître deux couches distinctes : le parenchyme palissadique
formé de deux assises de cellules légèrement cylindriques, et le parenchyme lacuneux
riche en lacunes remplies d'eau et responsables de l'atmosphère interne qui règne à
l'intérieur de la feuille.
Ce parenchyme est parcouru par un tissu vasculaire qui véhicule la sève brute impliquée
dans les apports d'eau et de sels minéraux.
• L'épiderme inférieur : il possède des ouvertures ou stomates (l'ouverture centrale du
stomate est l'ostiole) bordées par deux cellules stomatiques qui se resserrent ou
s'écartent, réglant ainsi les possibilités d'échanges gazeux et de vapeur d'eau avec le
milieu extérieur.
L'atmosphère interne de la feuille communique avec l'extérieur par les stomates. Le CO 2
nécessaire à la photosynthèse pénètre dans la feuille par ces ouvertures, gagne les
cellules du parenchyme chlorophyllien et se dissous rapidement dans le cytoplasme.
C'est l'ouverture et la fermeture des stomates au cours de la journée qui conditionnent les
échanges gazeux entre la feuille et le milieu extérieur.
On en conclut que CO 2, eau, lumière, ions minéraux et chloroplastes sont
nécessaires à la photosynthèse.
L'essentiel
La photosynthèse permet à la plante de fabriquer sa propre matière organique à condition
d'approvisionner correctement les cellules chloroplastiques du parenchyme en eau, CO 2,
lumière et ions minéraux.
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Cours : Les surfaces d'échanges
Les surfaces d'échanges
Objectif(s)
L'organisation fonctionnelle des plantes à fleurs appelées Angiospermes est mise en
relation avec les exigences d'une vie fixée en relation avec deux milieux : l'air et le sol.
Ce sont des organismes autotrophes qui puisent dans le milieu les éléments nutritifs dont
ils ont besoin pour se développer.
Quelles sont les caractéristiques des surfaces d'échanges développées par la plante pour
pouvoir récupérer les gaz de l'atmosphère, l'eau et les sels minéraux du sol ainsi que
l'énergie du soleil ?
1. La feuille : surface d'échange avec l'atmosphère
Les feuilles des plantes représentent une très grande surface chez tous les végétaux.
Une feuille est constituée d'un limbe et d'un pétiole que la relie à la tige.
C'est le limbe qui est spécialisé dans les échanges entre l'atmosphère et la
plante.
Doc. n° 1 : Structure d'une feuille simple.
En effet, les végétaux comme tous les êtres vivants respirent, consommant du dioxygène
et rejetant du CO 2. Échanges mesurables surtout la nuit, car en journée les échanges de
gaz qui prédominent sont ceux indispensables à la photosynthèse, soit une
consommation de CO 2 et un rejet d'O 2.
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Cours : Les surfaces d'échanges
Doc. n° 2 : Coupe transversale d'une feuille.
La surface foliaire est la surface totale des feuilles d'une plante. Elle est très importante
pour les plantes car elle permet d'optimiser les échanges avec l'atmosphère.
Les gaz pénètrent dans la feuilles grâce à des structures spécialisées : les stomates.
Ce sont 2 cellules particulières s'organisant autour d'une ouverture : l'ostiole, par laquelle
circulent les gaz.
Les stomates sont fermés la nuit pour permettre aux racines d'absorber de l'eau et aux
périodes les plus chaudes de la journée pour éviter la dessiccation : la déshydratation
de la plante par les feuilles.
Doc. n° 3 : Stomate, face interne et vue en coupe.
Les gaz absorbés arrivent ensuite dans la chambre sous-stomatique et circulent dans le
parenchyme lacuneux. Il pénètreront dans les différentes cellules chlorophylliennes
(celles du parenchyme lacuneux et celles du parenchyme palissadique) pour la
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Cours : Les surfaces d'échanges
photosynthèse.
Les feuilles en plus d'être une surface d'échanges avec l'atmosphère sont également le
siège de la photosynthèse. Elles captent l'énergie lumineuse par la multitude de
chloroplastes que l'on retrouve dans les cellules de la feuille.
Plus les feuilles ont une surface développée, plus elles captent l'énergie du soleil
et plus les échanges de gaz avec l'atmosphère sont efficaces.
Doc. n° 4 : Les échanges de gaz dans les feuilles.
2. Les racines : surface d'échange avec le sol
Ce sont les racines qui sont chargées de puiser l'eau et les minéraux du sol pour
pouvoir assurer le métabolisme et la croissance de la plante.
Les racines se déploient dans le sol à la recherche d'eau. Plus le sol sera sec, plus les
racines vont se ramifier et aller en profondeur.
Par exemple : les racines de la Vigne des coteaux calcaires assez sec à Saint-Emilion
peuvent atteindre 5 à 6 m de profondeur pour pouvoir puiser de l'eau en été.
De plus, pour optimiser l'absorption de l'eau, l'extrémité de chaque racine est
recouverte de poils absorbants : c'est la zone pilifère. De très petit diamètre mais
très nombreux, ils augmentent considérablement la surface d'échange entre le sol
et la plante.
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Cours : Les surfaces d'échanges
Doc. n° 5 : Observation de poil absorbant au microscope électronique.
3. Les circulations de matière dans la plante
L'eau et les minéraux puisés dans le sol servent principalement aux cellules
chlorophylliennes des feuilles pour réaliser la photosynthèse.
Il faut donc un moyen dans la plante pour faire circuler cette matière.
La matière puisée par les racines (eau + minéraux) constitue la sève brute. Elle
est véhiculée par des cellules mortes spécialisées, en forme de tube, constituant les
vaisseaux du xylème (comme ces cellules sont mortes, elles sont vides de cytoplasme
ce qui facilite la circulation de la sève). Cette sève brute alimente les feuilles qui peuvent
réaliser la photosynthèse et produire ainsi de la matière organique.
En effet, les végétaux étant autotrophes, ils produisent de la matière organique qui
permet d'alimenter toutes les cellules et donc tous les organes de la plante. Le siège
de cette synthèse est la feuille qui, par photosynthèse, produira de l'amidon et autres
glucides nécessaires à la plante entière.
Ces glucides forment, avec d'autres éléments, la sève élaborée. Elle est véhiculée par
d'autres vaisseaux conducteurs constituant le phloème (ensemble de tubes criblés).
La sève élaborée alimente ainsi toute les cellules de la plante.
La sève brute a une circulation plutôt ascendante (des racines vers les feuilles) alors
que la sève élaborée descendante (des feuilles vers les autres organes), l'ensemble des
vaisseaux conducteurs relient les différents organes et forment un réseau en circuit
fermé.
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Cours : Les surfaces d'échanges
L'essentiel
Doc. n° 6 : Circulation de la matière dans la plante.
Les plantes sont des organismes ayant une vie fixée, elles sont donc totalement
dépendantes de leur environnement. Leurs surfaces d'échanges doivent donc être très
importantes pour assurer l'approvisionnement en eau, minéraux et gaz nécessaires à son
fonctionnement.
Les feuilles permettent l'absorption des gaz de l'atmosphère grâce aux stomates et
captent l'énergie solaire nécessaire à la photosynthèse. Les racines assurent
l'approvisionnement en eau et minéraux grâce aux poils absorbants.
Les matières circulent dans la plante grâce aux vaisseaux du xylème et du
phloème, pour permettre à la plante de vivre et de grandir.
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Cours : Les surfaces d'échanges
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Cours : Les vaccins
Les vaccins
Objectif(s)
Actuellement de nombreuses maladies sont bien connues (agent infectieux, symptômes,
etc) et on sait les traiter avec efficacité. Toutefois, il peut être utile de se protéger contre
certaines de ces affections : c'est le but de la vaccination.
Quel est le principe de la vaccination ? Quels sont les différents vaccins qui existent ?
Quels sont les espoirs de vaccins ?
1. La vaccination
a. Une mise en mémoire du système immunitaire
Lors d'un premier contact avec un antigène donné, l'organisme réagit en mettant en place
une réponse primaire : le taux maximum en anticorps est atteint au bout d'une semaine
environ et décroît rapidement pour devenir presque nul au bout de quatre à cinq
semaines.
La protection n'est donc pas immédiate et la maladie ou les symptômes apparaissent. Lors
d'un deuxième contact avec le même antigène, la réponse secondaire est plus rapide et
plus efficace : le taux d'anticorps augmente très rapidement et atteint des valeurs
nettement supérieures au taux obtenu lors de la réponse primaire.
L'individu ne développe pas la maladie, il a acquis une immunité. Comment cela se
passe-t-il ?
Lors d'un premier contact, l'organisme produit des anticorps ou des lymphocytes
spécialisés pour neutraliser rapidement l'agent pathogène lors d'une éventuelle
contamination : l'individu possède son pool de cellules immunitaires mémoire
capables de réagir rapidement et de façon plus efficace.
La vaccination utilise le principe de la mémoire du système immunitaire : elle va
induire une immunité acquise contre un agent pathogène donné.
Lors du premier contact avec l'antigène (avec le vaccin), la réponse immunitaire n'est pas
très efficace.
Lors du second contact (avec injections de « rappels » trois ou quatre semaines au moins
après le premier contact), la réponse immunitaire est plus rapide, plus intense et plus
efficace.
Des injections de rappels sont nécessaires à intervalles de temps réguliers pour renouveler
le stock de cellules mémoires.
Elles consistent à injecter un ou plusieurs agents pathogènes ayant perdu tout pouvoir
pathogène mais ayant conservé leurs propriétés antigéniques.
b. Les différents types de vaccin
• Le vaccin par germe atténué (vivant) : le germe est traité pour perdre de sa
virulence mais il conserve son pouvoir antigénique.
Cela concerne en général les vaccins dirigés contre les virus (rougeole, rubéole, grippe,
oreillons, fièvre jaune).
Exemple d'un vaccin contre une bactérie : le vaccin antituberculeux ou BCG (Bacille de
Calmette et Guérin).
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Cours : Les vaccins
• Le vaccin par germe inactivé : le germe est tué au moyen d'un antiseptique mais
conserve son pouvoir antigénique.
Il faut plusieurs injections car le germe ne peut se reproduire et il faut fournir à
l'organisme une quantité d'antigènes suffisante.
• Le vaccin par anatoxine : ce sont des molécules qui se rapprochent antigéniquement
de la toxine mais ne présentent aucun risque (telles les anatoxines tétaniques ou
diphtériques).
La vaccination confère une immunité non immédiate, acquise (active), durable (mais avec
des rappels obligatoires) : c'est une méthode préventive.
2. Un espoir de vaccin : le vaccin anti-VIH
Il existe actuellement de nombreux vaccins antiviraux : vaccins contre la coqueluche, la
poliomyélite, l'hépatite B, la rougeole, les oreillons, la rubéole, la grippe, etc.
En quoi le virus VIH est-il différent ?
Si on peut guérir de la grippe ou de la rubéole en acquérant une immunité efficace, cela
n'est pas le cas avec l'infection due au VIH.
De plus, il est difficile de trouver un modèle animal qui développe les mêmes symptômes
que l'homme afin de faire des études.
Le virus VIH échappe de façon remarquable au système immunitaire du sujet : il
devient inaccessible aux anticorps : il est à l'abri dans sa cellule cible et il est même
capable de contaminer d'autres cellules sans s'exposer aux anticorps ; il « niche » dans
des endroits qui échappent à la vigilance des lymphocytes (par exemple, dans le
cerveau) ; il mute rapidement, notamment au niveau des protéines ; les protéines de son
enveloppe rendent très difficile l'action des anticorps : les protéines nécessaires à la
fixation du virus sur la cellule cible (GP120 et GP41), donc très intéressantes, sont
inaccessibles aux anticorps, et celles qui sont accessibles mutent fréquemment.
Il existe actuellement de nombreuses études sur ces préparations vaccinales : des vaccins
constitués de protéines d'enveloppe du virus (GP120 essentiellement), des vaccins
contenant des vecteurs (inoffensifs pour l'homme) dans lesquels ont été introduits le gène
des enveloppes virales.
L'essentiel
La vaccination permet de protéger efficacement l'homme contre de nombreux agents
infectieux : elle repose sur les propriétés de mise en mémoire du système
immunitaire.
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Cours : Mécanismes de transfert thermique
Mécanismes de transfert thermique
Objectif(s)
Comment l’énergie interne est-elle dissipée à la surface de la Terre ?
Il existe deux modes de transfert d’énergie thermique : la convection et la conduction.
1. La conduction
La conduction est un mode de transfert d’énergie thermique qui ne nécessite pas
de mouvements de matière. La chaleur est transférée de proche en proche par
simple agitation des atomes. Plus la différence de température entre deux matériau est
importante plus ce transfert sera efficace. Par contre, il dépend aussi de la conductivité
thermique des matériaux.
A l’échelle du globe, la lithosphère est le siège de phénomènes de conduction
rendant compte du flux géothermique observé. La limite noyau-manteau libère aussi de
l’énergie par conduction en direction du manteau.
Le géotherme dépend du mode de transfert thermique. Dans le cas de la conduction,
la température augmente proportionnellement avec la profondeur. Mais le
géotherme dépend aussi des propriétés conductrices et de la composition des
roches. Les variations de géotherme observables à la surface de la planète sont donc
directement liées aux différences de conductivité des roches.
La péridotite, roche constituant le manteau présente une conductivité plus élevée (4,2
à 5,8 W.m -1 .K -1 ) que le granite (2,5 à 3,8 W.m -1 .K -1 ) et les roches de la croûte
océanique, gabbro et basalte (1,7 à 2,5 W.m -1 .K -1 ) ou les roches sédimentaires comme
le calcaire (1,7 à 3,3 W.m -1 .K -1 ).
Toutefois, les roches terrestres présentent des conductivités thermiques plutôt faibles
(conductivité thermique de l’argent : 420 W.m -1 .K -1 , de l’eau : 6 W.m -1 .K -1 ) qui limitent
les transferts d’énergie et favorisent le stockage de la chaleur.
Une roche sédimentaire aura des propriétés bien plus isolantes comparée à une roche
magmatique comme la péridotite.
2. La convection
Le mouvement de convection est un phénomène facilement observable lorsque l'on
chauffe de l'eau.
Si on chauffe un récipient rempli d’eau par sa base et que l’on suit l’évolution de la
température de l’eau en bas et en haut du récipient, on constate que la température
augmente de la même façon dans les deux cas. Il y a donc un transfert de chaleur de
la base vers la surface de l’eau.
Dans ce cas, l’eau chauffée à la base remonte à la surface où elle se refroidit en libérant la
chaleur. Une fois refroidit, elle redescend à la base ; elle décrit ainsi un mouvement
convectif.
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Cours : Mécanismes de transfert thermique
La convection est donc un mode de transfert d’énergie thermique qui ne peut se
réaliser que dans un matériau ayant un comportement fluide. Soumis à une quantité de
chaleur supérieure à celle qu’il peut évacuer, il s’échauffe devient moins dense et remonte
à la surface puis redescend une fois refroidi.
Ce mouvement tend à homogénéiser les températures.
C'est la couche inférieure du manteau qui va être animée de mouvements de
convection permettant la remontée à la surface de l’énergie interne. Cette dynamique
permet le mouvement des plaques lithosphériques.
Les dorsales océaniques sont le siège de la remontée de l’énergie interne par
convection alors que les zones de subduction sont le siège de la descente de la
matière refroidie. Ces mouvements sont visibles grâce à la tomographie sismique qui
permet de distinguer les zones chaudes des zones froides à l’intérieur du globe.
L'essentiel
Les roches sont des matériaux présentant une faible conductivité thermique.
Ainsi, lors de leur échauffement dans le manteau, la roche va adopter un comportement
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Cours : Mécanismes de transfert thermique
ductile. La matière chaude va remonter à la surface où elle va se refroidir pour ensuite
redescendre. Elle est donc animée d’un mouvement de convection.
La remontée de matière se fait à l’aplomb des dorsales tandis que la descente de la
matière se fait au niveau des zones de subduction.
Une fois à la surface, la chaleur se dissipe par conduction.
Le flux géothermique rend compte de cette dissipation hétérogène : elle est maximale au
niveau des dorsales et des points chauds. Elle est élevée au niveau des zones où la croûte
continentale est la plus mince (bassin sédimentaire, fossés d’effondrement).
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Cours : Mécanismes de variation
Mécanismes de variation
Objectif(s)
L'analyse des roches sédimentaires a permis de déterminer les variations climatiques sur
de grandes échelles de temps. Les périodes froides ont été assimilées à de faibles taux en
CO 2 atmosphérique, tandis que des périodes chaudes sont reliées à de forts taux en CO 2.
Toute modification du taux en CO 2 semble avoir des conséquences sur le climat.
Quels sont ces mécanismes de variation ?
1. Production de CO2
• Pendant le Crétacé, la Terre est dépourvue de glace, le climat est très doux. Cette
hausse de température est due à un effet de serre accru lié à un taux élevé en CO 2.
L'enrichissement de l'atmosphère en CO 2 peut s'expliquer par le volcanisme massif à
cette époque.
Comment le volcanisme intervient-il ?
Le manteau supérieur contient du carbone : à chaque éruption volcanique, du carbone est
libéré sous forme de dioxyde de carbone et l'atmosphère s'enrichit en CO 2. On estime le
flux actuel annuel à 925 milliards de tonnes de CO 2 ! (le volcanisme sous-marin y
contribue à 80 % contre 20 % pour le volcanisme aérien).
Si on considère que l'activité volcanique était largement supérieure il y a plusieurs millions
d'années avec l'activité des dorsales, on comprend aisément que son rôle a pu être
prépondérant dans le contrôle du taux de CO 2 atmosphérique.
• Au niveau des océans et des lacs, la précipitation des carbonates libère du CO2
selon l'équation :
• Les réactions d'altération de la croûte océanique en produisent aussi selon
l'équation :
2. Consommation de CO2
Le piégeage de la matière organique a permis de consommer du CO 2. En effet, les
végétaux consomment du CO 2 pour la photosynthèse mais ils en rejettent également lors
de la respiration.
De plus, la matière organique végétale est dégradée par les consommateurs et il y a rejet
de CO 2. Mais, au sein d'un écosystème, il y a équilibre entre cette consommation et
cette production. Toutefois, toute la matière organique n'est pas dégradée : elle peut
être véhiculée, s'accumuler et être à l'origine du charbon et du pétrole.
Toute cette matière permet de stocker des millions de tonnes de carbone.
Les principales ressources de charbon en Europe ont été formées au Carbonifère, période
pendant laquelle les forêts de fougères géantes abondaient.
Au niveau des continents, l'altération des silicates et des carbonates consomme du
CO 2. L'équation suivante correspond à la dissolution des carbonates :
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Cours : Mécanismes de variation
Les ions HCO 3 - peuvent ensuite précipiter selon l'équation décrite précédemment.
De plus, l'altération des silicates des roches magmatiques ou métamorphiques
consomme du CO 2 :
Si on compare les réactions de dissolution et de précipitation des carbonates, on constate
qu'elles s'équilibrent et se compensent et n'influencent pas la teneur en CO 2
atmosphérique sur une grande échelle de temps.
En revanche, l'altération des silicates produit du Ca 2+ et consomme du CO 2 de façon
irréversible : cette réaction consomme 2 molécules de CO 2 pour une molécule libérée lors
de la précipitation des carbonates, ce qui aboutit finalement à un piégeage important du
CO 2 atmosphérique.
Ces altérations vont dépendre du climat et du relief. L'eau est le principal agent
d'altération des roches.
On en déduit donc que la formation des calcaires et des roches carbonées a
contribué à faire chuter le taux de CO 2 et diminuer l'effet de serre.
De plus, la mise en place d'une chaîne de montagne permet la formation des roches
granitiques et métamorphiques (ex. : mise en place de la chaîne hercynienne à l'origine
des massifs anciens, tels le massif central, les Vosges, etc.). Tous les produits liés à
l'érosion de cette chaîne se retrouvent dans les bassins d'effondrement autour de ces
anciens massifs.
On estime actuellement que l'ensemble des calcaires sur Terre représente une quantité de
CO 2 équivalente à 4.10 20 kg.
3. Estimations du climat futur ?
Les études des variations de climat et de températures sont devenues un enjeu et
un fait de société, étant donné que la question et le problème du réchauffement de la
planète inquiètent les pays du monde entier.
Il est difficile de déterminer avec précision le climat futur car il faut prendre en compte la
variabilité naturelle du climat (la Terre a connu des périodes de glaciation et de
réchauffement considérables) mais aussi les activités humaines.
Si on considère le climat aux grandes échelles de temps, nous sommes actuellement dans
une période de refroidissement commencée il y a 20 millions d'années, mais de nombreux
changements brutaux de climats demeurent incompris.
La production annuelle de CO 2 liée aux activités humaines est estimée à près de 28
milliards de tonnes. Une grosse partie est piégée de façon naturelle mais il s'accumule
environ 3 milliards de tonnes de CO 2 dans l'atmosphère, d'où une hausse de l'effet de
serre.
Le réchauffement se superpose donc au refroidissement de plus grande ampleur, et les
scientifiques suggèrent alors une hausse de la température au XXI e siècle de l'ordre
de 2 à 5°C.
L'essentiel
Les modifications de climat sont liées à la teneur en CO 2 atmosphérique.
De nombreux processus consomment du CO 2 et tendent à refroidir le climat, tandis que
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Cours : Mécanismes de variation
d'autres en libèrent et contribuent à réchauffer la Terre.
À un moment donné, le climat ne correspond finalement qu'à un équilibre entre tous ces
processus.
Actuellement, la prévision est une hausse des températures au XXI e siècel avec le
réchauffement de la planète.
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Cours : Mise en évidence d'un lien de parenté entre l'Homme et le chimpanzé
Mise en évidence d'un lien de parenté entre
l'Homme et le chimpanzé
Objectif(s)
Quels sont les caractères qui nous permettent d'établir un lien de parenté entre l'Homme
et les grands singes, en particulier le chimpanzé ?
À quoi pouvait ressembler l'ancêtre commun entre l'Homme et le chimpanzé ?
1. Les données génétiques
L'Homme et les grands singes présentent des caractères communs.
Ce sont surtout les comparaisons entre l'Homme et le chimpanzé qui ont été très étudiées.
L'analyse comparée des caryotypes de l'Homme et du chimpanzé révèle une grande
similitude entre les deux : 46 chromosomes chez l'Homme contre 48 chez le chimpanzé.
Une technique de coloration spécifique permet de faire apparaître des bandes claires et
des bandes sombres au niveau des bras chromosomiques, ce qui facilite la comparaison.
Ces bandes reflètent leur séquence d'ADN :
• le chromosome 2 humain est formé de la fusion de deux chromosomes qui sont restés
séparés chez le chimpanzé ;
• 13 paires de chromosomes ont une morphologie rigoureusement identique (paires
d'autosomes n° 3, 6 à 8, 10, 11, 14, 16, 19 à 22 et paires de chromosomes sexuels X et
Y).
Quant aux chromosomes non identiques, ils ne diffèrent que par la disposition de certaines
portions : la délétion d'un fragment, l'insertion d'un fragment, une cassure suivie d'une
inversion et d'une soudure, une translocation.
Une technique poussée, la ZOO-Fluorescence In Situ Hybridization, permet de comparer
avec une grande précision les caryotypes de différentes espèces.
Elle s'appuie sur l'utilisation de sondes moléculaires fluorescentes spécifiques d'un
chromosome humain donné. Ces sondes s'hybrident aux emplacements équivalents au
chromosome humain avec des chromosomes d'une autre espèce.
En 2003, une étude comparative sur plus de 7 000 gènes a démontré que les gènes
impliqués dans l'ouïe et l'odorat auraient évolué plus rapidement chez l'Homme que chez
les grands singes, ce qui pourrait expliquer l'évolution du langage chez l'Homme.
Cette parenté chromosomique a permis de montrer que l'Homme et le chimpanzé
partagent plus de 98 % de leurs gènes : ils appartiennent au groupe des hominidés.
2. Les données moléculaires
Actuellement, les analyses et comparaisons de séquences de nucléotides ou
séquences d'acides aminés renseignent sur l'évolution.
Ce sont ces comparaisons de séquences de gènes et/ou de protéines chez l'Homme, le
chimpanzé, le gorille, l'orang-outan, le bonobo et le gibbon qui ont également permis de
confirmer l'étroite parenté entre l'Homme et le chimpanzé.
Toutefois, les données peuvent changer suivant la molécule étudiée : ainsi, une étude
portée sur 45 gènes et totalisant 46 855 nucléotides a révélé que pour plus de la moitié
des gènes, c'est la parenté homme / chimpanzé qui est la plus étroite, et que pour
les autres gènes la parenté varie (parenté homme / gorille, parenté gorille / chimpanzé,
etc.).
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Cours : Mise en évidence d'un lien de parenté entre l'Homme et le chimpanzé
3. Les données morphologiques et comportementales
a. La bipédie
Des découvertes récentes ont permis de démontrer que contrairement à ce que l'on
croyait, la bipédie n'est pas réservée à l'Homme. En effet, les grands singes comme le
chimpanzé ou le bonobo utilisent aussi la bipédie de manière occasionnelle.
La bipédie n'est donc pas une évolution de l'Homme mais un caractère qu'il
partage avec tous les Hominidés.
Il existe juste une différence de fréquence d'utilisation.
b. L'utilisation d'outils
Homme Chimpanzé Bonobo
Suspension 1 % 50 % 45 %
Quadripédie 0 % 40 % 35 %
Bipédie 99 % 10 % 20 %
L'utilisation d'outils divers a toujours été attribuée exclusivement à l'Homme, mais des
études réalisées chez les grands singes montrent que ceux-ci sont capables de
confectionner et utiliser des outils.
Parmi tous les grands singes, c'est le chimpanzé qui est le plus habile de ses doigts. Il
utilise plusieurs outils comme :
- la paille à termites : il peut explorer des nids de termites avec des brindilles préparées
astucieusement, retirer la brindille du nid et déguster les proies.
- plonger des herbes ou des feuilles dans des cavités d'arbres où l'eau est retenue et s'en
servir de bol afin de boire.
- pierres ouvre-graines : utilisent les pierres comme percuteurs pour casser les noix.
- armes : lances en bois pour chasser.
Les chimpanzés utilisent ces outils depuis plus de 4 000 ans, ce qui induit une
transmission du savoir sur plusieurs générations. Les chimpanzés ont donc
comme nous la capacité de montrer et d'apprendre.
Plusieurs chercheurs sont d'ailleurs parvenus à enseigner les bases de notre langage à des
chimpanzés.
c. La vie sociale
De plus, les chimpanzés possèdent une organisation sociale similaire à celle de
l'Homme :
- ils vivent en communauté : ils sont capables de s'associer entre eux, de conclure
des pactes et d'établir des concepts.
- les membres de la communauté chassent et partagent leur nourriture.
- il existe un lien familial (maternel) très fort.
Là encore, ces études révèlent la parenté étroite entre l'Homme et le chimpanzé.
4. L'ancêtre commun aux hommes et aux chimpanzés
Si l'Homme et le chimpanzé présentent autant de caractères communs, cela signifie
qu'ils les ont hérité d'un ancêtre commun.
Les caractères de l'ancêtre sont ceux partagés par toutes les espèces filles, avec
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Cours : Mise en évidence d'un lien de parenté entre l'Homme et le chimpanzé
des caractères communs aujourd'hui à l'Homme et au chimpanzé :
• taille : environ 1m pour 30 à 40 kg ;
• capacité crânienne de 300 à 400cc environ ;
• arboricole, mais avec un répertoire locomoteur incluant la bipédie (jusqu'à 20 % de
bipédie chez les bonobos) ;
• omnivore ;
• mode de vie en communauté ;
• ce sont les femelles qui quittent leur "famille" pour se reproduire ;
• usage d'outils ;
• capacité d'imiter ;
• conscience de soi ;
• capacité de montrer, d'apprendre.
En revanche, il n'était vraisemblablement pas doué d'une intelligence très développée. Ce
n'était ni un Homme ni un grand singe actuel. Nous n'avons pas encore trouvé de fossile
pouvant correspondre à cet ancêtre.
L'essentiel
À travers des comparaisons génétiques, morphologiques et comportementales,
nous avons pu mettre en évidence un lien de parenté très étroit entre l'Homme et
le chimpanzé.
L'Homme et le chimpanzé possèdent un ancêtre commun vieux de 5 à 10 millions
d'années.
Cet ancêtre possédait des caractères aujourd'hui partagés par l'Homme et le
chimpanzé.
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Cours : Mise en évidence des variations anciennes
Mise en évidence des variations anciennes
Objectif(s)
Les climats ont énormément varié au fil des années et il est possible actuellement de
déterminer ces changements climatiques en remontant dans un passé très ancien. Les
roches demeurent les seuls indices de ces modifications.
Quelles sont ces traces laissées par les roches ?
Comment expliquer ces changements climatiques ?
1. Les indices liés au temps
Les seules traces pouvant donner des indications sur les climats passés sont les couches
de sédiments qui se sont accumulées au fil du temps.
a. Traces de périodes chaudes
Les climats tropicaux humides altèrent de façon intensive les roches sédimentaires du
fait de l'alternance de saisons sèches et humides. Cela se traduit par une hydrolyse des
minéraux silicatés : de nombreux éléments issus de cette hydrolyse sont emportés par
les eaux de ruissellement.
Seuls persistent des argiles et une accumulation d'oxydes et d'hydroxydes de fer (ceux-ci
donnent une couleur rouge). Ainsi, la présence de bauxites ou de latérites témoigne de
ce type de climat.
Dans le milieu marin, ce sont les coraux qui sont significatifs d'un tel climat. En effet, ils
ne se développent que dans des eaux pures, très oxygénées, peu profondes et chaudes.
Sous un climat chaud et aride, le taux d'évaporation est très élevé et on trouve des
traces de sédimentation particulière : les évaporites. Ces roches sont des associations
complexes de chlorure, de sulfates et de carbonates qui sont précipitées à partir d'eaux
soumises à une évaporation intense. Les dépôts de gypse (CaSO 4), de sel gemme et de
potasse ont une telle origine et sont le témoignage de ce type de climat.
La présence de charbon est, quant à elle, significative d'une végétation luxuriante et de
conditions climatiques de type équatorial.
b. Traces de périodes froides
La présence de glaciers est décelable au niveau du paysage : ils ont poli les roches,
sculpté les vallées. Ce sont des agents d'érosion très puissants. Ils ont transporté et
déposé de grandes quantités de matériaux qui forment les moraines.
Celles-ci peuvent être transportées sur de grandes distances et peuvent laisser des dépôts
glaciaires qui, en se consolidant, forment des tillites.
Ont également existé des périodes périglaciaires avec des alternances de périodes de
gel et de dégel, de vents violents.
En périodes très froides, le sol gèle très profondément et ne dégèle à la belle saison que
dans sa partie superficielle, les zones profondes restant gelées. Cette partie gelée en
permanence (le pergélisol) est soumise à de nombreuses contraintes dues aux
alternances gel-dégel ; elle se déforme, ce qui se traduit en surface par l'apparition de
motifs caractéristiques.
Au voisinage des régions couvertes de glace, on trouve très souvent ces plaines
désertiques balayées par des vents pouvant être très violents. Des parties provenant de
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Cours : Mise en évidence des variations anciennes
l'altération des pergélisols peuvent être facilement arrachées et emportées à grande
distance. Ces dépôts éoliens peuvent ainsi se retrouver sur de grandes distances, entassés
sur plusieurs mètres de hauteur.
Les paléontologues disposent donc de différentes roches indicatrices de conditions
climatiques particulières. En partant du principe que leur mode de formation n'a pas
changé au fil des années, ils peuvent obtenir des indications sur les climats passés.
2. Les changements de climat
Les scientifiques disposent de différentes données pour tenter d'expliquer les variations
climatiques.
Les continents n'ont pas toujours occupé leur position actuelle. Ainsi, leur taux
d'ensoleillement et leur climat ont évolué.
Exemples :
• Le Sahara actuel était pendant l'ère primaire, à l'Ordovicien, localisé au pôle sud
et recouvert d'une calotte glaciaire.
Ceci explique la présence de tillites âgées de plus de 450 millions d'années en plein
Sahara. D'autres traces de tillites datées du Carbonifère (-300 millions d'années) ont été
repérées en Afrique de l'Ouest, en Australie, en Inde et au Brésil. Ces tillites sont
associées à des roches polies dont les stries et rainures sont les témoins de l'érosion et ont
permis d'établir le sens d'écoulement de la glace et l'étendue de la calotte glaciaire.
• De même, toujours à l'ère primaire, au Carbonifère, il y a 300 millions d'années,
l'Europe était située en zone équatoriale, des forêts de fougères existaient, ce qui
explique la présence abondante de charbon dans certaines régions françaises (Lorraine,
Nord).
À l'ère primaire les continents sont regroupés et situés vers des latitudes sud. Les
terrains carbonifères qu'on trouve en France contiennent des traces qui attestent d'un
climat tropical (quand la France se situait près de l'équateur), tandis que d'autres indices
telles les moraines et les stries glaciaires montrent qu'à la même période une calotte
glaciaire imposante recouvrait l'Amérique du Sud, l'Inde, l'Australie, etc.
Mais toutes les modifications climatiques ne peuvent s'expliquer par la disposition des
continents. Ainsi, des changements climatiques ont pu affecter l'ensemble de la
planète.
De cette façon, on peut relier l'abondance de la végétation au carbonifère et la présence
d'une imposante calotte glaciaire. La végétation luxuriante consomme énormément de
CO 2 et la formation de charbon piège ce carbone qui ne retourne pas à l'atmosphère. Donc
l'effet de serre diminue, le climat devient plus froid, les dépôts neigeux persistent et la
calotte glaciaire se met en place.
La Terre a également connu une période chaude au Crétacé après la glaciation décrite
précédemment. Pendant cette période, la Terre est dépourvue de glace. Alaska et
Groenland sont peuplés de palmiers et d'arbres à pain, les coraux se développent à des
latitudes inhabituelles. Ce réchauffement est à mettre en relation avec un effet de serre
plus important lié à des taux en CO 2 élevés. Le volcanisme enrichit l'atmosphère en CO 2
et contribue à l'augmentation de la température.
L'essentiel
L'analyse de la nature des roches sédimentaires et de leur contenu en fossiles montre des
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Cours : Mise en évidence des variations anciennes
variations de climat à de plus grandes échelles de temps. Les scientifiques expliquent ces
variations climatiques en prenant en compte la dérive des continents et leur position
changeante au cours du temps, ainsi que le climat à l'échelle mondiale.
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Cours : Organisation des chaînes de montagnes
Organisation des chaînes de montagnes
Objectif(s)
Une tectonique de subduction aboutit à la rencontre des 2 continents qui bordent de part
et d'autre la zone de subduction. On assiste alors à une collision entre 2 lithosphères
continentales à l'origine des chaînes de montagnes. Mais tout relief est un système
instable qui tend à disparaître aussitôt qu'il se forme.
Comment se forment et s'organisent les chaînes de montagnes sur le globe ?
1. La formation d'une chaîne de montagnes
Lors d'une dynamique tectonique de convergence, un plaque océanique peut entrer en
subduction sous une plaque continentale.
L'océan compris entre les croutes continentales se ferme petit à petit jusqu'à ce
qu'il disparaisse complétement, les 2 croûtes continentales se faisant front.
Si les contraintes tectoniques convergentes perdurent, les deux lithosphères
continentales entrent en collision. Les croûtes continentales se fracturent, la partie
supérieure de la croûte s'épaissit par empilement de nappes dans la zone de contact entre
les 2 plaques, des reliefs s'élèvent.
Ainsi naît une chaîne de montagnes.
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Cours : Organisation des chaînes de montagnes
Doc. 1 : Formation d'une chaîne de montagnes.
2. Morphologie des chaînes de montagnes
Toutes les chaînes de montagnes du globe ne se ressemblent pas. Elles n'ont pas la même
orientation, ni la même étendue et encore moins les mêmes reliefs.
Cependant on constate que les montagnes jeunes ont des reliefs plus importants
que les montagnes plus anciennes.
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Cours : Organisation des chaînes de montagnes
Doc. 2 : Relief de la France.
Les caractéristiques des montagnes jeunes sont :
• des reliefs élevés, suite à un épaississement récent de la croûte continentale par
collision ;
• en profondeur une épaisseur également importante de la croûte, appelée racine
crustale ;
• il en découle des profondeurs du MOHO (discontinuité entre la croute et la manteau)
très importantes.
Exemples en France : Les Alpes et les Pyrénées se sont formées à l'ère tertiaire, de -30
à -40 millions d'années.
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Cours : Organisation des chaînes de montagnes
Doc. 3 : Profondeur du MOHO en France.
Les caractéristiques des montagnes anciennes :
• des reliefs peu élevés, des monts très aplanis, beaucoup moins de pics abruptes
• en profondeur la racine crustale a disparu, la profondeur du MOHO est donc moindre.
Exemples en France : les Vosges et le Massif central se sont formés à l'ère primaire
entre -360 et -250 millions d'années, le Massif armoricain est encore plus ancien et encore
plus aplani.
Les paysages se modifient donc avec le temps, les reliefs tendent à disparaître dès
qu'ils commencent à se former. Ce sont les mécanismes d'érosion qui sont à l'origine de la
disparition des reliefs. L'évolution finale d'une chaîne de montagnes est : la plaine.
Lorsqu'une chaîne de montagnes a disparu en un lieu donné on parle de pénéplanation.
Massif des Alpes
Massif des Pyrénées
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Cours : Organisation des chaînes de montagnes
Massif central
Massif armoricain
3. Les roches constituants les chaînes de montagnes
En plus d'avoir des morphologies différentes, les chaîne de montagnes se distinguent
également par une composition pétrologique différente à l'affleurement.
A l'affleurement d'une montagne jeune, on trouve des roches témoins de la subduction qui
on été obductées.
Ce sont des matériaux qui, au lieu d'être subductés ont été surélevés lors de la
collision :
• des sédiments marins tels que les radiolarites dans les Alpes ;
• des ophiolites, série pétrologique caractéristique des roches de la lithosphère océanique
: méta-basalte, méta-gabbro, péridotite serpentinisée.
Les montagnes jeunes sont également caractérisées par une abondance de roches
métamorphisées lors de la collision. Les roches du socle initial de la croûte ont subi des
transformations minéralogiques à l'état solide. Ces roches ont subi un métamorphisme
caractéristique haute pression-moyenne température.
- on trouve à l'affleurement les granites initiaux et des granites qui se sont transformé en
gneiss.
Dans les montagnes plus anciennes les matériaux à l'affleurement sont différents. La
proportion de matériaux transformés et ou formés en profondeur sont plus
abondants.
La proportion des roches métamorphisées est plus importante, on trouve également des
granites d'anatexie qui ne se forment que dans un contexte tectonique de
collision sous haute pression-haute température en profondeur. Suite à l'érosion
en surface des reliefs, on voit apparaitre dans les montagnes anciennes des roches qui
étaient auparavant en profondeur.
L'essentiel
L'organisation des chaînes de montagnes dépend de leur âge. Les montagnes jeunes ne
ressemblent pas aux montagnes anciennes, sur le plan morphologique et pétrologique.
Les montagnes anciennes ont des reliefs moins élevés et on y observe à l'affleurement une
plus forte proportion de matériaux transformés et formés en profondeur. Les parties
superficielles des reliefs ayant disparus par érosion.
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Cours : Organisation fonctionnelle d'une plante
Organisation fonctionnelle d'une plante
Objectif(s)
La morphologie des végétaux reflète leur histoire évolutive sur la Terre.
Ce sont des organismes vivants qui ont une vie fixée et ont besoin de ressources qu'ils
trouvent dans leur habitat, le sol et l'air.
Quelle est la morphologie de base d'une plante et comment cette morphologie permet-elle
l'interface sol / air ?
1. Morphologie d'une plante commune
Nous nous intéressons aux Angiospermes qui sont les plantes à fleurs produisant des
fruits.
Ces plantes ont une vie fixée et ont développé au cours de l'évolution fleurs et fruits
(contenant les graines) pour assurer leur reproduction et surtout la dissémination
(dispersion) des graines, pérennisant ainsi leur espèce et la colonisation des milieux.
La plupart de ces plantes sont terrestres ; elles ont privilégié, au cours de l'évolution, le
développement d'un système racinaire (souterrain ou aérien) et d'un système
caulinaire (aérien) qui comprend tiges, feuilles et fleurs.
Ces 2 systèmes sont interdépendants grâce aux tissus conducteurs qui les
traversent.
Doc. n° 1 : Morphologie simplifiée d'une plante commune.
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Cours : Organisation fonctionnelle d'une plante
2. Le systéme racinaire permet l'interface avec le sol
a. Les différents types de racine
Il existe 2 types de racines :
• les racines pivotantes
- une large racine verticale se ramifiant en de nombreuses racines secondaires ;
- permet de fixer solidement la plante au sol et de supporter ainsi l'action du vent, de la
gravité ou encore du ruissellement de l'eau.
• les racines fasciculées
- composées de plusieurs racines identiques qui se développent à quelques
centimètres de la surface du sol ;
- permet à la plante une bonne fixation dans le sol (protégeant également ce dernier de
l'érosion) ;
- permet à la plante de disposer d'une grande surface de contact et d'échange avec le
sol.
b. Rôles des racines
Doc. n° 2 : Deux types de racines.
Les racines permettent donc de fixer solidement et durablement la plante au sol.
Elles possèdent un autre rôle majeur en interface avec le sol.
À l'extrémité des racines se trouvent des poils absorbants qui puisent l'eau et les sels
minéraux dans le sol, indispensables au développement de la plante.
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Cours : Organisation fonctionnelle d'une plante
Doc. n° 3 : Poils absorbants.
La multitude de ces poils augmente la surface de contact au niveau de l'interface
racine / sol et permet d'augmenter l'efficacité de l'absorption.
Par exemple : l'Ivraie vivace ne vit que pendant une saison, elle développe jusqu'à 600
km de racines, la majeure partie étant des poils absorbants.
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Cours : Organisation fonctionnelle d'une plante
Doc. n° 4 : L'Ivraie vivace.
Les racines permettent également de véhiculer l'eau et les sels minéraux, puisés au
niveau des poils absorbants, dans toute la plante, jusqu'aux feuilles via des vaisseaux
conducteurs formant le xylème.
L'eau et les sels minéraux véhiculés dans ce xylème forment la sève brute.
3. Le systéme caulinaire permet l'interface avec l'air
Il se compose des tiges, des feuilles et de l'inflorescence (l'organe reproducteur).
a. La tige
C'est un organe composé d'une succession d'entre-nœuds séparés par des nœuds au
niveau desquels s'insèrent les feuilles.
À l'aisselle de chaque feuille, on trouve un bourgeon axillaire.
La tige se termine par un bourgeon terminal comprenant un système de production
de feuilles et d'entre-nœuds supplémentaires.
Le fonctionnement des bourgeons dépend des saisons. C'est au printemps que le
bourgeon terminal se développe (la débourre) donnant naissance à une nouvelle tige
(ou rameau sur un arbre). Les bourgeons sont des systèmes de protection des
feuilles embryonnaires qui peuvent ainsi passer l'hiver à l'abri.
Les bourgeons axillaires, quant à eux, sont en dormance à cause de la dominance
apicale du bourgeon terminal. Ils ne se développent que lorsque ce dernier est
suffisamment éloigné pour ne plus les inhiber.
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Cours : Organisation fonctionnelle d'une plante
Pour les plantes vivaces, qui ne vivent qu'une saison, le bourgeon terminal peut
donner naissance à une inflorescence.
b. Les feuilles
C'est le principal organe effectuant la photosynthèse et étant en interface avec l'air.
La photosynthèse est un mécanisme biochimique nécessitant, entre autre, de la
lumière et permettant la production de matière organique indispensable au
métabolisme de la plante.
La feuille se compose d'un pétiole et d'un limbe parcouru de nervures (= les vaisseaux
conducteurs) présentant des formes très variées.
Doc. n° 5 : Différentes morphologies de feuilles.
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Cours : Organisation fonctionnelle d'une plante
La plupart des feuilles sont vertes : chlorophylliennes. La chlorophylle est
indispensable à la photosynthèse. Ce mécanisme biochimique nécessite non
seulement, en plus de la lumière, d'eau et de sels minéraux arrivant par le xylème des
racines jusqu'aux feuilles, mais aussi d'une source de carbone : le CO 2.
La feuille puise cette source de carbone dans l'air atmosphérique. Le CO 2 pénètre
dans les feuilles grâce à de petites ouvertures, les stomates, puis intègre les cellules
des tissus de la feuille pour être utilisé pour la photosynthèse.
Doc. n° 6 : Coupe transversale d'une feuille.
Doc. n° 7 : Les stomates.
Les feuilles ne se développent qu'au printemps à partir des bourgeons et tombent à
l'automne lorsque le climat devient trop rude pour qu'elles puissent pérenniser.
L'essentiel
Les Angiospermes ont privilégié, au cours de l'évolution, le développement d'un
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Cours : Organisation fonctionnelle d'une plante
appareil racinaire qui permet de puiser l'eau et les sels minéraux, indispensable à
son métabolisme dans le sol, ainsi qu'un appareil caulinaire avec des feuilles qui
puisent dans l'air le CO 2 et captent la lumière indispensables à la photosynthèse.
La morphologie d'une plante est donc conçue pour favoriser l'efficacité de l'interface
avec son habitat, l'air et le sol dans lequel elle est fixée.
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Cours : Pression de sélection par l'Homme
Pression de sélection par l'Homme
Objectif(s)
Comment l’Homme peut-il améliorer la qualité des plantes qu’il consomme ?
Les végétaux jouent un rôle essentiel pour la survie de l’espèce humaine. Ils sont à la
base de l’alimentation animale qui sert à nourrir l’Homme. Au cours des siècles, depuis les
débuts de l’agriculture il y a 11 500 ans, l’Homme a toujours cherché à améliorer les
espèces végétales qu’il cultivait.
1. La sélection du maïs au cours des siècles
a. La téosinte : ancêtre sauvage du maïs
Il y a 7000 ans, les Amérindiens cultivaient une espèce végétale : la téosinte. Cette
espèce sauvage pourrait être l’ancêtre du maïs. Elle est caractérisée par un plant très
touffu et des grappes de grains formées d’une seule rangée. Les grains sont petits,
de forme triangulaire. Leur enveloppe appelée glume est épaisse et de couleur sombre.
Lorsqu’ils sont mûrs, les grains tombent au sol. Le glume protège les grains contre les
parasites ce qui les rend plus résistants en milieu naturel.
Des fouilles archéologiques réalisées en Amérique Centrale, ont permis de trouver des épis
résultant de croisements entre différents individus de téosinte par les Amérindiens.
Le maïs est cultivé actuellement uniquement dans des agrosystèmes. Il est caractérisé par
un plant formé d’une seule tige et des épis comprenant 20 rangées de grains. Ces
derniers ont une enveloppe fine et sont de couleur jaune et restent accrochés aux épis à
maturité.
b. La domestication de la téosinte
A chaque cycle de reproduction, les Amérindiens sélectionnaient les grains de téosinte qui
présentaient des caractères favorables à leur consommation : taille, aspect, …., pour
les replanter pour l'année suivante.
Ils ont ainsi sélectionné les individus sauvages au cours des siècles modifiant ainsi leur
phénotype pour créer une espèce domestiquée. La sélection n'est plus naturelle mais
exercée par l'Homme.
Il est possible de voir apparaître des plants présentant le phénotype « téosinte » dans des
champs de maïs cultivés en agrosystèmes. De même, on voit des plants présentant le
phénotype « maïs domestiqué » parmi les plants sauvages de téosinte. Dans ce cas, les
plants sont plus fragiles et moins résistants.
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Cours : Pression de sélection par l'Homme
c. Impact de la sélection sur le génotype de l'espèce
On connaît les gènes impliqués dans le contrôle de l’architecture des plants et des
enveloppes des grains, respectivement : tb1 et Tga1.
On constate des différences génotypiques entre le maïs et le téosinte :
• Si on compare la quantité d’ARNm produit à partir du gène tb1 entre le maïs et le
téosinte, on constate que ce gène est plus fortement exprimé chez l’espèce
domestiquée que ce soit dans l’épi femelle ou le pédoncule.
• Le maïs et le téosinte présentent des allèles différents : l’allèle présent chez le maïs
conduit à une graine entourée d’une enveloppe plus fine (le glume), donc plus
vulnérable en milieu naturel.
Ainsi, à partir d’une espèce ancestrale sauvage vivant dans un écosystème naturel,
l’Homme a réussi à sélectionner une population d’individus présentant un
phénotype très éloigné de celui d’origine lui apportant un avantage alimentaire.
Toutefois, ces individus restent interféconds malgré leur isolement génétique. Les
caractères choisis sont recherchés par l’Homme mais sont défavorables à la
survie de l’individu dans le milieu naturel. Ces caractères sont exprimés à partir
d’allèles résultant de mutations peu fréquents dans la population sauvage.
Cette sélection conduit donc à la réduction de la diversité génétique et à
l’obtention d’individus homogènes. Les nouveaux plants sont adaptés à la vie
domestique mais ne le sont plus à la vie sauvage.
2. La sélection à l'origine des variétés
Quelque soit l’espèce végétale considérée, on dénombre aujourd’hui un très grand
nombre de variétés. C'est une forme de biodiversité qui est le résultat de la main de
l’Homme.
Prenons pour exemple la pomme.
Il existe plus de 20 000 variétés de pommes qui sont le résultat de croisements
artificiels réalisés par l’Homme. Ces variétés présentent des tailles, des couleurs, des
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Cours : Pression de sélection par l'Homme
textures, des compositions chimiques différentes qui vont permettre différentes
utilisations.
Certaines variétés sont préférentiellement utilisées pour produire du cidre, d’autres sont
appréciées pour l’ornement.
Toutes ces espèces sont issues d’une même espèce ancestrale sauvage : Malus
pumila. Elles présentent donc des caractères communs mais sont aussi différentes
par leur génotype. Si on compare ces espèces entre elles, on constate qu’elles n’ont pas,
par exemple, les mêmes capacités de résistance aux parasites.
Les variétés décrites chez le maïs ont des utilisations diverses en fonction de leur
composition en glucides.
Cette caractéristique dépend de l’expression de certains allèles codant des
enzymes de la voie de synthèse de l’amidon. L’amidon est le glucide de réserve des
végétaux. Il est composé d’amylose et d’amylopectine.
Les variétés incapables de synthétiser l’amylose vont être utilisées préférentiellement en
amidonnerie. Les autres seront utilisés pour l’alimentation humaine, la semoulerie, la
papeterie, la cartonnerie, la chimie, la pharmacie et la cosmétique.
Ainsi, la biodiversité variétale résulte d’une sélection empirique par l’Homme.
Les variétés sont toutes issues de la même espèce ; chaque variété présente des
caractéristiques choisies par l’Homme qui vont optimiser la productivité et l’utilisation
du produit (résistance aux parasites, quantité de réserves)
Cette diversité variétale est une richesse à préserver. Une banque de semences a été
créée en Norvège pour leur préservation.
3. La sélection « moderne »
Grâce aux avancées technologiques, l’Homme peut maintenant accélérer le processus de
sélection en laboratoire.
Pour cela, on utilise une population d’individus hétérogènes. Les individus sont donc
tous hétérozygotes. L’objectif est d’obtenir une lignée pure homozygote pour les
allèles choisis au préalable.
Afin d’obtenir cette lignée pure, le sélectionneur va utiliser le pollen d’un plant dont il veut
préserver les caractéristiques pour féconder les ovules de ce même plant : c’est l’autofécondation.
Ce processus est répété sur plusieurs générations en sélectionnant à
chaque étape les meilleurs plants.
L'essentiel
L’amélioration des végétaux qui sont utilisés pour l’alimentation animale, humaine et
l’industrie est une pratique que l’Homme utilise de façon empirique depuis sa
sédentarisation et le début de l’agriculture.
Il a toujours cherché à favoriser la reproduction des plants présentant des caractéristiques
favorables comme la résistance aux parasites, la taille de ses réserves de glucides, son
goût, sa couleur...
Ces pratiques lui ont permis de générer des espèces totalement domestiquées comme le
maïs qui ne sont plus du tout capables de résister seule en milieu naturel. Ces espèces ne
peuvent se développer qu’en agrosystème.
La biodiversité variétale constitue une richesse et un patrimoine qu’il faut préserver. Elle
résulte des croisements empiriques réalisés par les paysans au cours de siècles. Elle
permet de disposer pour chaque espèce végétale, de nombreuses variétés répondant aux
besoins de l’Homme (qualité gustative, productivité, résistance aux maladies).
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Cours : Pression de sélection par l'Homme
Aujourd’hui, l’Homme pratique cette sélection artificielle en laboratoire en pratiquant
l’auto-fécondation afin d’augmenter le taux d’homozygotie au sein d’une population pour
un ou plusieurs caractères sélectionné.
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Cours : Rôle des enzymes dans la disgestion des glucides
Rôle des enzymes dans la disgestion des glucides
Objectif(s)
L'Homme se nourrit de sucres complexes, comme l'amidon. La digestion va permettre
l'assimilation du glucose qui les compose. Cependant, des enzymes sont nécessaires pour
transformer ces macromolécules en nutriments assimilables.
Nous expliquerons comment les enzymes (ici celles de la digestion) sont indispensables à
la transformation des glucides à grosses molécules comme l'amidon en glucose.
1. Les enzymes : des protéines essentielles
a. La notion de biocatalyseur
L’amylase (enzyme) permet la réaction suivante :
amidon + amylase → glucose + amylase.
L’efficacité de l’enzyme n’est pas modifiée au cours de la réaction et elle reste intacte
après la réaction, c’est donc un catalyseur.
Cependant, cette enzyme agit uniquement à 37 °C qui est une température biologique (t°
du corps humain), on parle donc de catalyseur biologique ou biocatalyseur.
b. Diversité des réactions enzymatiques
Il existe une incroyable diversité de réactions enzymatiques.
Les enzymes peuvent donc être soit intra ou extra-cellulaires ; dans tous les cas leur
synthèse a lieu au sein de la cellule, mais leur lieu d’action peut changer.
Il existe en fait une grande diversité de réactions au sein de la cellule et de l’organisme et
toutes sont catalysées par des enzymes.
Les enzymes ont une nomenclature bien définie, on ajoute le suffixe –ase au nom de la
réaction que catalyse l’enzyme.
L’amylase permettant l’hydrolyse de l’amidon, c’est donc une hydrolase qui agit dans
l'estomac sur l'amidon.
2. La spécificité enzymatique
a. La spécificité des réactions
Pour une substance donnée ou substrat, une enzyme n’est capable de catalyser une
réaction que dans un seul sens. C’est la spécificité d’action.
Une autre enzyme est nécessaire pour réaliser la réaction inverse.
b. La spécificité du substrat
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Cours : Rôle des enzymes dans la disgestion des glucides
Une enzyme n’exerce son action que sur un seul type de substrat, on parle de
spécificité de substrat.
L'amylase ne peut agir que sur l'amidon.
Il y a reconnaissance du substrat par l'enzyme grâce à la structure particulière de
l'enzyme.
3. Structure des enzymes induisant la spécificité de substrat
Les enzymes sont des protéines possédant une structure 3D très particulière, elles
possèdent un site actif.
Le site actif d’une enzyme doit, pour permettre la catalyse, avoir une conformation 3D
bien précise. C’est cette conformation qui explique la spécificité au substrat.
Le site actif est décomposé en 2 parties :
• une zone de fixation ;
• une zone catalytique.
Ce site est fragile et dépend du milieu, toutes modifications de l’environnement
entraînent l’absence du fonctionnement de l’enzyme.
4. Le mode d’action des enzymes
a. Les étapes de la catalyse enzymatique
Les réactions catalysées par les enzymes peuvent être découpées en plusieurs étapes.
E : enzyme ; S : substrat ; P : produit ; ES : complexe enzyme-substrat.
Dans le cas de l’amylase :
E : amylase
S : amidon
P : glucose.
1 : Formation d’un complexe enzyme-substrat, cette réaction est réversible, le
complexe peut se désunir avant que la réaction ne commence.
2 : Activation de la réaction, le substrat est transformé en produit.
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Cours : Rôle des enzymes dans la disgestion des glucides
3 : Libération du produit, le complexe enzyme / substrat est rompu.
b. Modulation de l’activité enzymatique.
L’activité enzymatique se mesure généralement en nombre de molécules de substrat
transformées par molécules d’enzymes et par unité de temps.
L’activité d’une enzyme sera fonction de différents paramètres :
• la concentration de réactifs : enzyme ou substrat ;
• la t° ;
• le pH ;
• les inhibiteurs ;
• les agents dénaturants.
Le premier paramètre a un effet évident, plus la concentration en réactif est élevée, plus
l’activité est importante.
La t° et le pH jouent en fait sur le fonctionnement de l’enzyme.
• Une modification du pH entraîne une modification des interactions moléculaires et donc
éventuellement de la structure 3D des produits.
• La t° a le même effet, mais comme pour toutes les protéines, si la t° est trop élevée, la
réaction est irréversible car l’enzyme est dénaturée. Ce qui n’est pas le cas des t° basses
qui inactivent seulement l’enzyme.
Les inhibiteurs ont des structures spatiales qui leur permettent de se fixer à l’enzyme. Ce
sont donc des substances capables de modifier l’activité de l’enzyme par compétition
avec le substrat.
Les agents dénaturants sont des substances capables de modifier la structure des
protéines, les rendant inactives.
L'essentiel
L'amidon est un glucide à grosse molécule qui est transformé en glucose lors de la
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Cours : Rôle des enzymes dans la disgestion des glucides
digestion.
Cette transformation se fait grâce à l'amylase. C'est un enzyme qui catalyse cette
transformation dans des conditions bien précises, on parle de biocatalyseur.
Une enzyme n’exerce son action que sur un seul type de substrat ; on parle de spécificité
de substrat.
Les réactions catalysées par les enzymes peuvent être découpées en plusieurs étapes. Le
site actif d’une enzyme doit, pour permettre la catalyse, avoir une conformation 3D bien
précise. C’est cette conformation qui explique la spécificité au substrat.
Les réactions catalysées par les enzymes peuvent être découpées en plusieurs étapes.
1 : Formation d’un complexe enzyme-substrat, cette réaction est réversible, le complexe
peut se désunir avant que la réaction ne commence.
2 : Activation de la réaction, le substrat est transformé en produit.
3 : Libération du produit, le complexe enzyme substrat est rompu.
L’activité d’une enzyme sera fonction de différents paramètres :
• la concentration de réactifs : enzyme ou substrat ;
• la t° ;
• le pH ;
• les inhibiteurs ;
• las agents dénaturant.
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Cours : Théorie de l'évolution : origine de la biodiversité
Théorie de l'évolution : origine de la biodiversité
Objectif(s)
Comment la biodiversité actuelle s’est-elle mise en place au cours de l’histoire de la Vie et
de la Terre ?
La biodiversité spécifique est définie par le nombre d’espèces différentes qui peuplent un
milieu. Plus ce nombre est élevé, plus la biodiversité est importante.
On définit une espèce comme un ensemble d’individus présentant des caractères
communs et étant capables de se reproduire entre eux pour donner une descendance
fertile.
Au sein d’une même espèce, il peut y avoir des populations qui regroupent des individus
de l’espèce dans un lieu géographique donné. Ces individus vont donc pouvoir se
reproduire entre eux de façon préférentielle ce qui va favoriser la transmission de certains
allèles plutôt que d’autres.
1. La variabilité intra-espèces
Les individus d’une même espèce présentent des caractères communs spécifiques de
l’espèce et des caractères propres à chaque individu. L’ensemble de ces
caractères forme le phénotype. Ce dernier définit la variabilité intra-espèce.
Tous les individus d’une même espèce ont en commun leur génome ; ils possèdent tous,
les mêmes chromosomes porteurs des mêmes gènes. Par contre, pour chaque gène, il
existe des variants, des allèles qui vont être à l’origine de la variabilité intraespèce.
Ils possèdent des génotypes différents.
Chaque allèle est caractérisé par sa fréquence (nombre de fois où il apparaît
dans une population) qui varie d’une population à l’autre.
2. Les facteurs d’évolution des populations
a. Les facteurs génétiques
L’apparition de nouveaux allèles dépend des modifications aléatoires de la séquence
des gènes au moment de la réplication : les mutations.
Si l'on suit, dans différentes populations d’une même espèce, la fréquence d’allèles ne
subissant aucune pression de sélection (elles ne confèrent ni avantages ni
inconvénients) au cours des générations, on constate que cette fréquence varie peu au
sein d’une population nombreuse.
Par contre, elle est très variable lorsque la population présente un effectif
restreint. Dans ce cas, l’allèle peut devenir très présent ou alors totalement
disparaître.
C’est la dérive génétique. Lors d'un phénomène conduisant à la disparition d’un grand
nombre d’individus, ce qui réduit considérablement la population. La dérive génétique
peut entraîner la disparition de certains allèles ou au contraire à l’émergence
d’allèles qui étaient peu représentés dans la population initiale sans qu'ils n'apportent un
intérêt particulier pour la survie de l'espèce.
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Cours : Théorie de l'évolution : origine de la biodiversité
C'est donc un phénomène inverse de la sélection naturelle car l'émergence ou la
disparition d'un allèle se fait de manière aléatoire.
Cas des éléphants du parc national Addo (Afrique du Sud).
Aujourd’hui, on compte au sein de la population des éléphants du parc national Addo, 98
% de femelles sans défenses alors qu’elles étaient seulement 15% en 1900 et 50% en
1931.
Cette espèce a été la cible d’une chasse intensive au début du XX e siècle qui a fortement
réduit son effectif. On ne comptait plus que 11 représentants en 1920 (8 femelles et 3
mâles). Le parc Addo fût créé en 1931 pour protéger ces individus en voie de disparition
qui donnèrent naissance aux individus actuels.
Dans ce cas, la dérive génétique a conduit à l’appauvrissement du patrimoine
génétique de l’espèce.
En effet, on constate que certains allèles sont présents chez tous les individus de l’espèce
(présente dans toute l'Afrique du Sud), par contre, un grand nombre d'autres allèles
(présents dans d’autres espèces d’éléphants issus d’Afrique du Sud), ont totalement
disparus du patrimoine génétique des éléphants du parc Addo.
Dans leur cas, on peut donc supposer que la réduction de leur population par la
chasse a favorisé la perte d'un grand nombre d'allèles par dérive génétique. A
long terme, ce type de processus peut conduire à l'apparition d'une nouvelle espèce par
processus de spéciation.
b. Les facteurs environnementaux
Cas de la phalène du bouleau.
La phalène du bouleau est un papillon de nuit présent en Angleterre. Il en existe deux
espèces : une forme claire (Biston betularia) et une forme sombre (Biston carbonaria).
Entre 1830 et 1850, la répartition de ces deux formes de phalènes change. En 1830, on
trouve majoritairement la forme claire alors qu’en 1850, la forme sombre devient
majoritaire notamment dans les zones industrialisées où la pollution conduit au
noircissement des troncs d’arbres et à la disparition du lichen. La phalène du bouleau a
pour prédateur les oiseaux.
Sa couleur claire lui permet de se confondre avec le lichen des troncs d’arbres.
• Expérience :
En 1955, on réalise une expérience de lâcher de phalènes dans deux zones
différentes : une zone industrielle polluée et une zone rurale non polluée.
• Observation :
On constate que dans la première, on recapture majoritairement des phalènes sombres
alors que les phalènes claires ont été pour la plupart mangées par les oiseaux. Dans la
zone non polluée, c’est l’inverse.
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Cours : Théorie de l'évolution : origine de la biodiversité
• Interprétation :
Les formes sombres peuvent plus facilement échapper aux oiseaux en zone polluée car
elles sont mieux camouflées et donc moins repérables. De même pour les formes claires
en zone non polluée.
Ce sont les individus les plus adaptés qui survivent et peuvent donc se
reproduire.
Ainsi, les modifications de l’environnement influencent l’évolution d’une
population.
C’est le principe de la sélection naturelle proposé par Charles Darwin en 1859.
c. Les facteurs individuels
Cas l’Euplecte à longue queue.
L’Euplecte à longue queue est un oiseau vivant dans le Sud de l’Afrique. Le mâle possède
des plumes formant une très longue queue.
• Expérience :
On compare quatre groupes de mâles dont la queue n’a pas été modifiée (groupe
témoin) ou la queue a été raccourcie (groupe 1), la queue a été coupée puis
recollée (groupe 2) ou la queue a été rallongée (groupe 3).
On évalue leur succès reproducteur avant et après traitement.
• Observation :
Avant traitement, le succès reproducteur est similaire entre les quatre groupes.
Après traitement, on constate que le groupe de mâles ayant le succès reproducteur le plus
élevé est le groupe 3 et ceux dont le succès reproducteur est le plus faible sont les
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Cours : Théorie de l'évolution : origine de la biodiversité
groupes 1 et 2.
• Interprétation :
Ainsi, certains caractères peuvent conférer un avantage reproductif aux individus d’une
espèce et augmenter leur probabilité de se reproduire.
Ceci vient renforcer l’effet de la sélection naturelle sur l’évolution des populations.
Les mécanismes de recombinaisons (crossing over) qui surviennent lors de la méiose
conduisent à des ré-associations d’allèles dans les gamètes qui peuvent favoriser ou non
leur transmission à la descendance.
Ainsi, l’évolution d’une population dépend avant tout du hasard des mutations et
des modifications environnementales. Les individus qui seront les plus aptes à
survivre et à se reproduire (avantage reproductif) et qui présenteront un avantage sélectif
dans le nouvel environnement transmettront préférentiellement leurs allèles à la
descendance.
Si la population est restreinte, la combinaison de l’ensemble de ces processus conduira à
la disparition ou l’émergence de certains allèles et donc à la modification du patrimoine
génétique de la population.
L'essentiel
La théorie de l’évolution proposée par Charles Darwin repose sur la combinaison de
plusieurs processus constituant les moteurs de l’évolution :
• La sélection naturelle : les individus d’une même population n’ont pas tous le même
avantage sélectif et le même succès reproducteur. Seuls ceux possédant ces deux critères
pourront transmettre leur patrimoine génétique à la descendance.
• La dérive génétique : chaque population est caractérisée par une fréquence de ses
allèles. Dans des conditions où le milieu de vie est favorable, cette fréquence varie peu
d’une génération à l’autre. Par contre, lorsque le nombre d’individus formant la population
diminue de façon importante, certains allèles vont devenir prédominants et d’autres vont
disparaître.
Les allèles résultent des modifications de séquences des gènes par mutations qui
surviennent au hasard au cours de la réplication. Chaque individu est donc unique et peut
transmettre une combinaison d’allèles qui lui est propre à sa descendance. Cette dernière
peut être modifiée lors de la méiose au cours des recombinaisons qui surviennent au
hasard entre les chromosomes d’une même paire.
Ainsi, le hasard joue un rôle fondamental dans l’histoire évolutive d’une population : lors
des modifications des conditions du milieu de vie non prévisibles, les individus ayant
acquis des allèles leur conférant alors un avantage sélectif et présentant un avantage
reproductif seront les mieux à même à se reproduire, favorisant ainsi la transmission de
leur patrimoine génétique à la descendance et modifiant ainsi la fréquence des allèles dans
la population.
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Cours : Transformations minéralogiques des roches lors de la subduction
Transformations minéralogiques des roches lors
de la subduction
Objectif(s)
Quels sont les mécanismes permettant la subduction de la lithosphère océanique ?
Comment les transformations minéralogiques de la croûte océanique entretiennent la
subduction ?
Il existe une expansion océanique et pourtant le diamètre de la Terre est constant.
On ne trouve pas de marges passives en tout point du globe. Il est donc évident que la
lithosphère océanique doit disparaître dans les profondeurs du globe. Cette
disparition se fait par le phénomène de subduction et compense la création qui se
fait par accrétion au niveau des dorsales.
1. Le moteur de la subduction
La subduction constitue l’un des principaux moteurs de la tectonique des plaques.
Le moteur de cette subduction est lié à la différence de densité entre la lithosphère
océanique et la manteau asthénosphérique sur lequel elle repose.
Une plaque va être subductée lorsque son poids est trop important.
La densité d’une plaque océanique n’est pas constante. La densité dépend
directement de la température de la plaque. La température d’une plaque océanique
n’a de cesse de diminuer en s'éloignant de son point de naissance : la dorsale.
Plus la plaque s’éloigne de la dorsale, plus elle est froide et plus elle est dense.
Doc. n° 1 : Évolution de la densité et de la température de la lithosphère océanique en
fonction de la distance à la dorsale.
Lorsqu’elle atteint une densité critique, supérieure à celle de l'asthénosphère, la
plaque plonge.
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Cours : Transformations minéralogiques des roches lors de la subduction
L’augmentation de la densité est directement liée à l’âge de la plaque ; en effet,
plus une plaque est ancienne, plus elle s’est éloignée de la dorsale.
Généralement, lorsque la plaque est âgée de 50 Ma, sa densité est telle qu’elle plonge.
C’est pour cela que l’âge de la croûte océanique n’excède pas 200 Ma.
Doc. n° 2 : Densité de la lithosphère océanique et subduction.
2. Les transforamations minéralogiques des roches de la croûte
océanique entretiennent la subduction
a. Composition minéralogique des roches de la croûte océanique
La lithosphère océanique constitue l'ensemble de la croûte océanique avec la partie
supérieure du manteau. Ces 2 unités sont séparées par la discontinuité de MOHO.
Cette lithosphère océanique présente une épaisseur moyenne de 7 à 10 km.
D'un point de vue pétrologique (les roches), la croûte océanique est recouverte par
une fine couche de sédiments marins puis on trouve des basaltes en coussin (pillowlavas)
; enfin, plus en profondeur, on trouve des gabbros.
Le tout repose sur le manteau lithosphérique constitué de péridotites.
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Cours : Transformations minéralogiques des roches lors de la subduction
Doc. n° 3a : Coupe des roches de la lithosphère océanique.
Structure
Microlithique
À l'œil nu, existence de gros cristaux visibles
(phénocristaux) dans une pâte non cristallisée
(structure hémicristalline).
Au microscope, de grands cristaux et petits
cristaux sont visibles dans une pâte non
cristallisée apparaissant avec des teintes très
vives en lumière polarisée analysée (structure
microlithique)
Grenue
Cristaux visibles à l'œil nu. L'ensemble de la
roche est entièrement cristallisé.
Composition Vitesse de
minéralogique refroidissement
Basalte
(contenant des
phénocristaux
d'olivines)
Gabbro
Refroidissement
rapide
Roche volcanique
d'origine
superficielle
Refroidissement
lent
Roche plutonique
d'origine
profonde
Doc. n° 3b : Composition minéralogique des principales roches de la croûte océanique.
Ces minéraux vont subir des transformations tout au long du déplacement des
roches depuis leur naissance au niveau de la dorsale jusqu'à leur entrée en subduction.
Ce sont les modifications des conditions de pression et de température qui sont à
l'origine de ces transformations minéralogiques suivant le diagramme suivant :
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Cours : Transformations minéralogiques des roches lors de la subduction
Doc. n° 4 : Domaines de stabilité de quelques associations de minéraux de la croûte
océanique.
Il en découle une augmentation de la densité des roches (moteur de la subduction).
Roche
Métagabbro 1
Métagabbro 2
Composition
minéralogique
plagioclase
pyroxène relique
chlorite
actinote
plagioclase
pyroxène relique
glaucophane
Densité
Métagabbro 3
grenat
jadéite
glaucophane
quartz
3,5
Doc. n° 5 : Caractéristiques de trois métagabbros de la lithosphère océanique (un
métagabbro est un gabbro ayant subi des transformations minéralogiques).
b. Hydratation des roches de la croûte continentale
La croûte océanique depuis sa création jusqu'à son arrivée dans la zone de subduction
va incorporer de l'eau issue de l'océan. Ceci est lié à l'apparition de fissures dans cette
croûte qui permettent l'infiltration de l'eau.
Au niveau des roches, cela se traduit par la transformation de certains minéraux.
Cette transformation est liée à l'eau mais aussi à la diminution de la température et à
l'éloignement de la dorsale.
Ainsi, les roches des plaques subductées subissent un ensemble de transformations à
l'état solide : on parle de « métamorphisme ».
Le métamorphisme est différent selon les conditions de pressions et de
températures auxquelles il se produit, on parle de « faciès métamorphiques ».
Dans un premier temps, il se produit un apport d'eau et une diminution de la
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température (liée à l'éloignement de la dorsale).
Au niveau minéralogique (voir sur le document bilan), on a :
(1) plagioclases + pyroxènes + eau = hornblende (amphibole)
(2) plagioclases + hornblende + eau = actinote + chlorite
Le faciès métamorphique traduit un refroidissement et une hydratation, c’est le
faciès schiste vert (métagabbro 1 du doc. 5), on parle de « métamorphisme
hydrothermal ».
c. Deshydratation des roches de la CO
La plaque subductée va s'enfoncer, en ne récupérant que peu de chaleur, elle va
traverser de nouveaux faciès métamorphiques.
L'enfouissement des roches (augmentation de la profondeur) se traduit par une
déshydratation de la croûte, eau évacuée vers le manteau qui sera alors hydraté et
ainsi susceptible d'entrer en fusion partielle (à l'origine du magma). Les minéraux se
déshydratent et se compactent pour devenir encore plus denses.
Au niveau minéralogique on a :
(3) et (4) plagioclase + chlorite + actinote = glaucophane + eau
Les roches traversent ainsi le faciès schiste bleu (métagabbro 2 du doc. 5).
(5) glaucophane + plagioclases = grenat + jadéite + eau
Les roches traversent le faciès éclogite (métagabbro 3 du doc. 5).
L'essentiel
Depuis leur formation jusqu'à leur subduction, les roches de la lithosphère
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océanique et plus particulièrement les roches de la croûte océanique vont subir des
transformations minéralogiques qui ont pour conséquence d'augmenter la densité
de ces roches et donc de la lithosphère océanique. Cette augmentation de densité
est le moteur de la subduction.
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Cours : Utilisations possibles de l'énergie géothermique par l'Homme
Utilisations possibles de l'énergie géothermique
par l'Homme
Objecitf(s)
Comment l’Homme peut-il exploiter l’énergie produite par le globe terrestre ?
Pour produire son énergie, l’Homme utilisait préférentiellement les roches fossiles jusqu’à
la fin du XX e siècle. Aujourd’hui, leurs stocks s’épuisent et leur utilisation excessive depuis
l’ère industrielle a fortement participé au bouleversement climatique conduisant à un
réchauffement important de la planète.
L’Homme dispose de deux autres sources d’énergie naturelle : le Soleil et la Terre.
1. La géothermie à haute énergie
Exemple de la station de Soultz-sous-Forêts (Alsace, France).
a. Le contexte géologique
La station de Soultz-sous-Forêts, située en Alsace, est localisée dans le Bassin Rhénan qui
est un fossé d’effondrement.
Ce fossé s’est formé par étirement de la croûte continentale qui s’est amincie puis
abaissée. Le fossé s’est ensuite rempli de roches sédimentaires durant le tertiaire et le
quaternaire.
Il est donc formé en profondeur d’un socle granitique fracturé recouvert d’un terrain
sédimentaire.
b. Le principe de la géothermie à haute énergie
La géothermie à haute énergie consiste à aller puiser à de très grandes profondeurs
des eaux très chaudes. Lorsque cette eau est ramenée à la surface, elle dégage de la
vapeur d’eau qui va être utilisée pour faire fonctionner des turbines et donc produire de
l’électricité.
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Cours : Utilisations possibles de l'énergie géothermique par l'Homme
Le bassin rhénan est la région qui présente le gradient géothermique le plus
élevé en France métropolitaine.
Son exploitation se fait en plusieurs étapes :
• Étape 1 : on injecte de l’eau froide en profondeur par un puits central. Cette eau va
circuler dans les roches chaudes fracturées et permettre la stabilisation de certaines
fractures.
• Étape 2 : l’eau froide qui circule se réchauffe au contact des roches chaudes.
• Étape 3 : l’eau réchauffée est remontée à la surface par deux puits de production.
• Étape 4 : l’eau chaude est transformée en vapeur d’eau qui vient actionner une turbine
permettant ainsi la production d’électricité.
Dans d’autres sites comme le site de Bouillante (Guadeloupe), l’eau injectée provient de
l’infiltration des eaux de pluies et de la mer. Dans ce cas, le contexte géologique
est la présence d’une activité volcanique (La Soufrière) associée à une zone de
subduction.
La roche du sous-sol est fracturée par de nombreuses failles qui favorisent l’infiltration de
l’eau.
c. Les zones favorables pour l'implantation de centrales géothermiques à haute
énergie
La géothermie à haute énergie nécessite d'être implantée dans des zones à fort gradient
géothermique.
Elle sera donc principalement implantée dans des zones à proximité des volcans
(dorsales, points chauds) et dans les zones de subduction.
Cette géothermie permet la production d’électricité.
2. La géothermie à basse énergie
a. Le principe de la géothermie à basse énergie
La géothermie à basse énergie est la forme de géothermie la plus envisageable en
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Cours : Utilisations possibles de l'énergie géothermique par l'Homme
France métropolitaine. Elle permet de produire de la chaleur et est utilisée pour le
chauffage de nos maisons, le chauffage des serres horticoles, l’aquaculture, la
balnéothérapie, le séchage du bois.
Le gradient géothermique en France est de 4 °C supplémentaires tous les 100 m. La
température moyenne du sol à faible profondeur est de 10 à 14 °C.
Dans le cas de la géothermie à basse énergie, un forage profond puise l’eau dans
un aquifère. Cette eau chaude est directement utilisée pour chauffer les maisons.
Dans le cas de la géothermie à très basse énergie, un fluide circule soit dans des
tuyaux enterrés à quelques centimètres de profondeur soit dans des forages
d’environ 100 m de profondeur et se réchauffe. Cette eau n’est toutefois pas assez chaude
pour chauffer directement la maison. Elle est donc conduite vers une pompe à chaleur
qui récupère l’énergie et la transfert à un système permettant le chauffage de la maison
(plancher chauffant le plus souvent).
b. Le contexte géologique
En France, on trouve de grands aquifères dans les bassins sédimentaires, composés
de roches perméables (sable, calcaire) surplombant une couche de roches imperméables.
Ces zones présentent en outre un flux géothermique élevé. Ce sont donc de bonnes
candidates pour le développement de sites géothermiques.
Le Massif Central caractérisé par sa chaîne de volcans est lui aussi un bon candidat.
3. La géothermie : faisabilité
On considère que les prélèvements d’énergie par géothermie par l’Homme sont infimes
par rapport à la quantité totale d’énergie produite par la Terre. C’est donc une forme
d’énergie exploitable et inépuisable.
Aujourd’hui, la géothermie ne représente que 2,8 % de l’électricité produite dans le monde
(et 0,1 % en France). De nombreuses études sont en cours, notamment dans les
régions volcaniques et les zones de subduction où le gradient géothermique peut
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atteindre jusqu’à 1000 °C pour 100 m de profondeur et dans les bassins sédimentaires.
L'essentiel
La production d’énergie est un enjeu contemporain central. L’Homme l’utilise pour
produire son électricité et de la chaleur. Depuis l’ère industrielle, il utilisait principalement
les roches fossiles comme le charbon. Mais ces dernières s’épuisent et sont impliquées
dans le dérèglement climatique.
Le Soleil et la Terre constituent deux sources d’énergie inépuisables. La géothermie est
donc une des pistes exploitées par l’Homme pour produire son énergie.
Selon le contexte géologique, on définit deux types de géothermie :
• Dans les zones des dorsales, des points chauds et de subduction le gradient
géothermique est très important ce qui permet la géothermie à haute énergie. Elle
consiste en la récupération des eaux infiltrées en profondeur au contact de roches
fracturées chaudes. La vapeur d’eau produite en surface va ensuite servir à actionner des
turbines pour la production d’électricité.
• Dans les bassins sédimentaires contenant de grands aquifères, on pratique la
géothermie à basse énergie. Elle consiste en la récupération de l’eau chaude de
l’aquifère qui sera ensuite utilisée pour chauffer les bâtiments. La géothermie à très basse
énergie consiste en la circulation d’un fluide dans des tuyaux enterrés à faible profondeur
qui se réchauffe. L’énergie récoltée est ensuite récupérée par une pompe à chaleur pour
être utilisée pour le chauffage des maisons.
En France, de nombreuses régions peuvent être de bonnes candidates pour la construction
de centrales géothermiques :
• Les bassins sédimentaires et le fossé rhénan en métropole (géothermie à basse
énergie).
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• Les zones volcaniques et de subduction dans les Antilles (géothermie à haute
énergie).
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