PREPARATION AU CERTIFICAT D'APTITUDE AU PROFESSORAT DES ECOLES (CRPE)
Formation des Professeurs des Ecoles

Enseignement des sciences et Education à la citoyenneté scientifique
Education à la responsabilité en matière de santé, d'environnement, d'information

Pensée complexe et pensée critique

Benoit URGELLI
last up-date : 17 décembre, 2018


Master MEEF - Spécialité PE - ISPEF Lyon
(2013-2014-2015-2016-2017)

Merci aux étudiants qui, par la liberté et la finesse de leurs questionnements,
contribuent chaque semaine à donner du sens et à faire évoluer ce corpus de connaissances et d'activités
Merci à Audrey Brossette et Manuela Gauther (2017) pour leurs précieuses notes de cours !

SUJETS DES ANNEES PRECEDENTES
session 2014 et session 2015
session 2016 - session 2017

voir ici la partie Matière et objets techniques
Décembre 2018

 



    Enseigner les sciences à l'école primaire
    Au-delà des savoirs, une ouverture d'esprit, un état d'esprit  :
    esprit complexe et esprit critique

  • Avel, P. (2010). L’enseignement des sciences face au fait religieux : au-delà des savoirs, un état d’esprit. In Laurence Maurines (dir.). Sciences et religions. Quelles vérités ? Quel dialogue ? (pp. 324-345). Paris : Vuibert.
  • Pereira, I. (2017). Pédagogie entrepreneuriale et néolibéralisme - Une approche à partir de la pédagogie critique. Revue Skhole.fr et conférence en ligne.
  • Zimmerman, G., Pasquinelli, E. & Farina, M. (2018). Esprit critique, esprit scientifique. Editeur :Le Pommier.
  • Freire, P. (2013). Pédagogie de l'autonomie. Toulouse : Eres.

Voici la définition que donnait John Dewey de l’ouverture d’esprit dans How We Think (2ème éd., 1933, p.30, Open-mindedness) :

"Cette attitude peut être définie comme une indépendance à l’égard des préjugés, de l’esprit partisan et autres habitudes de ce genre qui ferment l’esprit et le rendent peu disposé à considérer de nouveaux problèmes et à accueillir de nouvelles idées. […] Cette attitude implique le réel désir d’entendre plusieurs points de vue, de porter attention aux faits, quelle que soit la source d’où ils proviennent, d’examiner avec soin d’autres possibilités, de reconnaître la possibilité de l’erreur même pour les croyances qui nous sont les plus chères.

La paresse mentale est l’un des grands facteurs de fermeture de l’esprit aux idées nouvelles. La pente du moindre effort et du moindre ennui est déjà creusée dans l’esprit. Changer de vieilles croyances exige un travail pénible. La vanité pousse souvent à considérer comme un signe de faiblesse le fait de reconnaître qu’une croyance à laquelle nous adhérions est fausse. Nous nous identifions tellement à nos idées qu’elles deviennent nos « chéries », nous nous dressons pour les défendre, nous fermons nos yeux et nos oreilles à toute idée différente. Nos craintes inconscientes nous conduisent aussi à adopter des attitudes purement défensives qui, agissant telle une armure, nous ferment aux nouvelles conceptions et nous empêchent même de faire de nouvelles observations.

L’effet cumulé de ces forces ferme notre esprit et provoque un repli sur soi qui nous coupe des nouvelles relations intellectuelles dont nous avons besoin pour apprendre. Le meilleur moyen de les combattre est de cultiver cette sensibilité spontanée à la nouveauté et cette curiosité de tout instant pour le nouveau qui constituent l’essence d’un esprit ouvert"

 

Session 2014
Guide du Concours de Professeurs des écoles
Epreuves des concours de recrutement de professeurs des écoles

Descriptif des épreuves du concours externe

 

C'est dans la première épreuve orale d'admission intitulée "mise en situation professionnelle dans un domaine au choix du candidat" que les questions d'enseignement et d'apprentissage des sciences peuvent être abordées


 

Consignes pour les épreuves d'admission

Les deux épreuves orales d'admission comportent un entretien avec le jury qui permet d'évaluer la capacité du candidat à s'exprimer avec clarté et précision, à réfléchir aux enjeux scientifiques, didactiques, épistémologiques, culturels et sociaux que revêt l'enseignement des champs disciplinaires du concours, et des rapports qu'ils entretiennent entre eux.

Première épreuve orale : mise en situation professionnelle dans un domaine au choix du candidat

Durée de l'épreuve : une heure (présentation : 20 minutes ; entretien : 40 minutes)

Cette épreuve vise à évaluer les compétences scientifiques, didactiques et pédagogiques du candidat dans un domaine d'enseignement relevant des missions ou des programmes de l'école élémentaire ou de l'école maternelle, choisi au moment de l'inscription au concours parmi les domaines suivants :

  • sciences et technologie, histoire, géographie, histoire des arts, arts visuels, éducation musicale, enseignement moral et civique.

Le candidat remet préalablement au jury un dossier de dix pages au plus, portant sur le sujet qu'il a choisi. Ce dossier pourra être conçu à l'aide des différentes possibilités offertes par les technologies de l'information et de la communication usuelles, y compris audiovisuelles (format Compact Disc). Il est adressé au président du jury sous format papier accompagné le cas échéant d'un support numérique Compact Disc, dans un délai et selon des modalités fixées par le jury.

Ce dossier se compose de deux ensembles :

L'épreuve est notée sur 60 points et comporte :

  • la présentation du dossier par le candidat (vingt minutes, 20 points) ;
  • un entretien avec le jury (40 points) portant, d'une part, sur les aspects scientifiques, pédagogiques et didactiques du dossier et de sa présentation, et, d'autre part, sur un élargissement et/ou un approfondissement dans le domaine considéré (quarante minutes), pouvant notamment porter sur sa connaissance réfléchie des différentes théories du développement de l'enfant.

 

Rapport de Jury - CRPE
session 2014, session 2015, session 2016, session 2017

A propos du contenu et de l'utilisation du CD-Rom
last up-date : 17-déc-18

  • Sur le site du rectorat de Lyon, la consigne invite à utiliser le CD-Rom comme support d'accueil de documents (fiches, images, audio, vidéo,...) exclusivement évoqués dans le support papier : Le candidat devra faire apparaître clairement dans son dossier papier les renvois éventuels vers les ressources numériques contenues dans le CD. Pour relire cette consigne et les consignes de mise en page, aller à la rubrique FAQ du concours CRPE. Merci à Mme Souffleur du Rectorat pour son écoute.

[...] 280 candidats (39%) ont eu recours à l’utilisation d’un support numérique (CD-ROM) en  complément de leur dossier papier. Le lien entre les 2 documents constitue un élément essentiel de la plus value du support numérique : il ne peut éclairer le jury que si des renvois  explicites sont positionnés dans le document papier vers le CD. Les ressources placées sans références sur ce support n’apportent aucun élément supplémentaire au jury qui ne dispose pas des intentions d’usage de ces ressources par le candidat : seules celles référencées sont consultées par le jury [...].
[...] Il semble important de rappeler aux candidats qu’ils ne peuvent utiliser que les supports remis par le jury : leur dossier, leur CD s’ils en ont conçu un et des feuilles de brouillon vierge. Certains ont voulu illustrer leur propos à l’aide de productions d’élèves, de dispositifs conçus en classe (sciences en particulier) ou utiliser des supports numériques préenregistrés (tablettes en particulier) : le jury a systématiquement écarté ces usages. Les candidats sont également responsables du bon fonctionnement du matériel de diffusion du CD s’ils choisissent de l’utiliser. A titre d’illustration, le démarrage des ordinateurs utilisés doit être rapide [...].

GRILLE d'évaluation des oraux blancs de l'ISPEF (2015)
Dans l'intérêt de tous, les oraux sont publics.
voir la grille au format .pdf

  • Compostion du jury du 07 mai 2015
    - Nadine HUSSON, professeur des écoles, École nouvelle du Chapoly, Tassin La Demi Lune.
    - Raphaëlle RAAB, professeur des écoles détachée dans l'enseignement supérieur, Attaché Temporaire d'Enseignement et de Recherche à l'Université Jean Monnet de St Etienne (2014-2015), Chargée de cours à l'ISPEF (2011-2014).
    - Virginie RUPPIN, professeur des écoles, École élémentaire Combe Blanche, Lyon 8e, Docteur en Sciences de l’éducation, depuis 2010. Attaché Temporaire d'Enseignement et de Recherche à l’ISPEF (2006 à 2010),
    Chargée de cours à l'ISPEF (2011-2015).
    - Noëlle STRADIOTTO, professeur des écoles, directrice de l'École nouvelle De La Rize, Lyon 3eme.
    - Benoit URGELLI, enseignant-chercheur, Laboratoire ICAR, Didactique des Questions scientifiques socialement vives, ENS Lyon, Université Lyon 2


RESSOURCES :
Ouvrages et sites pour l'enseignement des sciences et des technologies à l'école primaire

Recommandé par de nombreux professeurs des écoles et par les formateurs : Même si ces ouvrages pour l'enseignement des sciences de la vie et de la Terre sont conformes à l'ancien programme (B.O. hors série du 14 février 2002)  et aux anciennes épreuves du CRPE (B.O. n° 21 du 26 mai 2005), les thématiques et contenus n'ont pas entièrement disparu des nouveaux programmes, ce qui rend ces ouvrages toujours précieux dans le cadre de la préparation du CRPE mais aussi dans la pratique quoitidien des professeurs des écoles et de leurs formateurs en sciences. L'ouvrage de 2002 regroupe de nombreuses propositions et supports pour l'enseignement scientifique de la maternelle au CM2, alors que l'ouvrage de 2006 se concentre sur les contenus scientifiques. A noter l'ouvrage de 2009 dédié à l'enseignement de la physique et de la technologie à l'école élémentaire.


Tavernier R. et Lamarque J. (2006)  Enseigner la biologie et la géologie à l'école Edition Bordas 477 p.

 


Tavernier R. (2002) La découverte du monde vivant  De la maternelle au CM2 Edition Bordas, 420 p.

 


Tavernier et al. (2009). Enseigner les sciences expérimentales à l'école élémentaire. Physique et technologie. Edition Bordas, 400 p.

 

  • PRATIQUES DE CLASSE

Le site Eduscol
Pour les programmes de collège commentés (2015)


Le site Eduscol
Pour les programmes de collège commentés (2009)


Le site de la Main à la Pâte
Institut français de l'éducation


DOCUMENTATION SCIENTIFIQUE


Les manuels scolaires de collège
et de la classe de seconde


La plateforme NéoPass
Institut français de l'éducation


Le site de la Main à la Pâte
Institut français de l'éducation

Le site Esprit critique, esprit scientifique
de La fondation La Main à la pâte

Les manuels scolaires de collège
et de la classe de seconde (C4)

 

Le site Mater-album
Des sélections d'album de jeunesse par thèmes

 



Le site de ressources gratuites et imprimables
(CP, CE1 et CE2)

 

Mettre en scène les sciences ?
Conseils aux étudiants, futurs enseignants

"How sciences work"
Implications for science teaching

C'est quoi "faire des sciences" ?
Implications pour l'enseignement

Une éducation scientifique
est-elle possible à l'école primaire ?

(séminaire de recherche)

 

PROGRAMME D'ENSEIGNEMENT VALABLE DEPUIS 2015
Extraits du Bulletin Officiel Cycle 1. hors série, mars 2015, p..
Extraits du Bulletin Officiel Cycle 2 et cycle 3. hors série, novembre 2015, p..
Voir aussi le Bulletin officiel sur le Socle Commun de Connaissances, de Compétences et de Culture (SCCCC, 2015, notamment D4)

Cycle de l'école maternelle
(cycle 1, de 3 à 6 ans)
Explorer le monde
Maternelle

Cycle des apprentissages fondamentaux
(cycle 2, de 6 à 8 ans)
Questionner le monde
CP CE1 CE2

Cycle des approfondissements
(cycle 3, de 8 à 11 ans)
Comprendre et expliquer le monde
Sciences et technologies
CM1 CM2 6eme

VIVANT
MATIERE
OBJETS

VIVANT
MATIERE
OBJETS
VIVANT
MATIERE
OBJETS
TERRE, ENVIRONNEMENT

OBJECTIFS ET CONNAISSANCES

OBJECTIFS ET CONNAISSANCES

OBJECTIFS ET CONNAISSANCES


COMPETENCES


COMPETENCES


COMPETENCES


PROGRAMME D'ENSEIGNEMENT 2008
Extraits du Bulletin Officiel, Horaires et programmes d'enseignement de l'école primaire. hors série n°3, 19 juin 2008, p.15, 16, 18, 19, 20, 24, 28.
Voir aussi le Bulletin officiel n° 1 du 5 janvier 2012

Cycle de l'école maternelle
(cycle 1, de 3 à 6 ans)
Découvrir le monde vivant à l’école maternelle

Cycle des apprentissages fondamentaux
(cycle 2, de 6 à 8 ans)
Découvrir le monde vivant au CP et au CE1

Cycle des approfondissements
(cycle 3, de 8 à 11 ans)
Unité et diversité du vivant

OBJECTIFS ET CONNAISSANCES

[...] l’enfant découvre le monde proche ; il apprend à prendre et à utiliser des repères spatiaux et temporels. Il observe, il pose des questions et progresse dans la formulation de ses interrogations vers plus de rationalité. Il apprend à adopter un autre point de vue que le sien propre et sa confrontation avec la pensée logique lui donne le goût du raisonnement. Il devient capable de compter, de classer, d’ordonner et de décrire, grâce au langage et à des formes variées de représentation (dessins, schémas). Il commence à comprendre ce qui distingue le vivant du non-vivant (matière, objets).

[...] Les enfants observent les différentes manifestations de la vie. Élevages et plantations constituent un moyen privilégié de découvrir le cycle que constituent la naissance, la croissance, la reproduction, le vieillissement, la mort.
Ils découvrent les parties du corps et les cinq sens : leurs caractéristiques et leurs fonctions. Ils sont intéressés à l’hygiène et à la santé, notamment à la nutrition. Ils apprennent les règles élémentaires de l’hygiène du corps.
Ils sont sensibilisés aux problèmes de l’environnement et apprennent à respecter la vie.

OBJECTIFS ET CONNAISSANCES

[...] les élèves ont un accès plus aisé aux savoirs grâce à leurs compétences en lecture et en mathématiques. Ils acquièrent des repères dans le temps et l’espace, des connaissances sur le monde et maîtrisent le vocabulaire spécifique correspondant. Ils dépassent leurs représentations initiales en observant et en manipulant.

[...] Les élèves repèrent des caractéristiques du vivant : naissance, croissance et reproduction ; nutrition et régimes alimentaires des animaux.
Ils apprennent quelques règles d’hygiène et de sécurité personnelles et collectives.
Ils comprennent les interactions entre les êtres vivants et leur environnement et ils apprennent à respecter l’environnement.

 

OBJECTIFS ET CONNAISSANCES

Les sciences expérimentales et les technologies ont pour objectif de comprendre et de décrire le monde réel, celui de la nature et celui construit par l’Homme, d’agir sur lui, et de maîtriser les changements induits par l’activité humaine. Leur étude contribue à faire saisir aux élèves la distinction entre faits et hypothèses vérifiables d’une part, opinions et croyances d’autre part.
Observation, questionnement, expérimentation et argumentation pratiqués, par exemple, selon l’esprit de la Main à la pâte sont essentiels pour atteindre ces buts ; c’est pourquoi les connaissances et les compétences sont acquises dans le cadre d’une démarche d’investigation qui développe la curiosité, la créativité, l’esprit critique et l’intérêt pour le progrès scientifique et technique.
Familiarisés avec une approche sensible de la nature, les élèves apprennent à être responsables face à l’environnement, au monde vivant, à la santé. Ils comprennent que le développement durable correspond aux besoins des générations actuelles et futures. En relation avec les enseignements de culture humaniste et d’instruction civique, ils apprennent à agir dans cette perspective.
Les travaux des élèves font l’objet d’écrits divers consignés, par exemple, dans un carnet d’observations ou un cahier d’expériences.

Le ciel et la Terre
Le mouvement de la Terre (et des planètes) autour du Soleil, la rotation de la Terre sur elle-même ; la durée du jour et son changement au cours des saisons.
[...]
Volcans et séismes, les risques pour les sociétés humaines.
[...]
L’unité et la diversité du vivant
Présentation de la biodiversité : recherche de différences entre espèces vivantes. Présentation de l’unité du vivant : recherche de points communs entre espèces vivantes.
Présentation de la classification du vivant : interprétation de ressemblances et différences en termes de parenté.
Le fonctionnement du vivant
Les stades du développement d’un être vivant (végétal ou animal).
Les conditions de développement des végétaux et des animaux.
Les modes de reproduction des êtres vivants.
Le fonctionnement du corps humain et la santé
Les mouvements corporels (les muscles, les os du squelette, les articulations).
Première approche des fonctions de nutrition : digestion, respiration et circulation sanguine.
Reproduction de l’Homme et éducation à la sexualité.
Hygiène et santé : actions bénéfiques ou nocives de nos comportements, notamment dans le domaine du sport, de l’alimentation, du sommeil.
Les êtres vivants dans leur environnement
L’adaptation des êtres vivants aux conditions du milieu.
Places et rôles des êtres vivants ; notions de chaînes et de réseaux alimentaires.
L’évolution d’un environnement géré par l’Homme : la forêt ; importance de la biodiversité.


COMPETENCES

À la fin de l’école maternelle l’enfant est capable de :
- reconnaître, nommer, décrire, comparer, ranger et classer des matières, des objets selon leurs qualités et leurs usages ;
- connaître des manifestations de la vie animale et végétale, les relier à de grandes fonctions : croissance, nutrition, locomotion, reproduction ;
- nommer les principales parties du corps humain et leur fonction, distinguer les cinq sens et leur fonction ;
- connaître et appliquer quelques règles d’hygiène du corps, des locaux, de l’alimentation ;
- repérer un danger et le prendre en compte ;
- utiliser des repères dans la journée, la semaine et l’année ;
- situer des événements les uns par rapport aux autres ;
[...]


COMPETENCES

Compétence 3 : Culture scientifique
L’élève est capable de : [...]
- être précis et soigneux dans les tracés, les mesures et les calculs ;
- résoudre des problèmes très simples ;
- observer et décrire pour mener des investigations ;
- appliquer des règles élémentaires de sécurité pour prévenir les risques d’accidents domestiques.

Compétence 6 : Compétences sociales et civiques
L’élève est capable de : [...]
- appliquer les codes de la politesse dans ses relations avec ses camarades, avec les adultes à l’école et hors de l’école, avec le maître au sein
de la classe ;
- participer en classe à un échange verbal en respectant les règles de la communication ;

Compétence 7 : L’autonomie et l’initiative
L’élève est capable de :
- écouter pour comprendre, interroger, répéter, réaliser un travail ou une activité ;
- échanger, questionner, justifier un point de vue ;
- travailler en groupe, s’engager dans un projet ;
[...]
- se représenter son environnement proche, s’y repérer, s’y déplacer de façon adaptée ;
- appliquer des règles élémentaires d’hygiène.


COMPETENCES

Compétence 3 : Culture scientifique
L’élève est capable de :
- pratiquer une démarche d’investigation : savoir observer, questionner ;
- manipuler et expérimenter, formuler une hypothèse et la tester, argumenter ;
- mettre à l’essai plusieurs pistes de solutions ;
- exprimer et exploiter les résultats d’une mesure ou d’une recherche en utilisant un vocabulaire scientifique à l’écrit et à l’oral ;
- maîtriser des connaissances dans divers domaines scientifiques ;
- mobiliser ses connaissances dans des contextes scientifiques différents et dans des activités de la vie courante (par exemple, apprécier l’équilibre d’un repas) ;
[...]

Compétence 6 : Compétences sociales et civiques
L’élève est capable de : [...]
- prendre part à un dialogue : prendre la parole devant les autres, écouter autrui, formuler et justifier un point de vue ;
- coopérer avec un ou plusieurs camarades ;
[...]

Compétence 7 : L’autonomie et l’initiative
L’élève est capable de :
- respecter des consignes simples en autonomie ;
- montrer une certaine persévérance dans toutes les activités ;
- commencer à savoir s’auto-évaluer dans des situations simples ;
- s’impliquer dans un projet individuel ou collectif ;
- se respecter en respectant les principales règles d’hygiène de vie ; accomplir les gestes quotidiens sans risquer de se faire mal ;
- se déplacer en s’adaptant à l’environnement ;
[...]


CONNAISSANCES ET METHODES SCIENTIFIQUES
Enseignements et activités proposés pour préparer l'épreuve orale sur dossier du concours CRPE

INTRODUCTION

Quelques notions sur la nature des sciences
en cours

Dix Notions clés pour enseigner les sciences

Choix inspirés et modifiés à partir des travaux 2011 de l'Académie des Sciences
et de la Fondation La Main à la Pâte
Voir l'ouvrage en ligne, format pdf, ici



Vidéo "De l'Inifiniment grand à l'infiniment petit" de Science et Vie
[musique : Ace Ventura (Exposed, liquid soul remix; progressive psy; morning), Mamue (Groove-agent)]

10. Toute la matière du monde est constituée de particules de taille minuscule.

Les atomes sont les constituants élémentaires de toute matière vivante ou non vivante. Le comportement des atomes, souvent organisés en molécules, explique les propriétés des différentes sortes de matière. Les réactions chimiques correspondent à des réarrangements des atomes entre substances pour en former de nouvelles. Chaque atome possède un noyau contenant des neutrons et des protons, entourés d’électrons. Les charges électriques opposées des protons et des électrons s’attirent mutuellement, donnant aux atomes leur stabilité et permettant la formation de molécules et de substances variées.

SVT : la matière organique [CH2O] et la matière minérale (les silicates des roches), certaines liaisons atomiques sont énergétiques, libération d'énergie par hetérotrophie et conversion d'energie lumineuse en énergie chimique par autotrophie.

9. Certains objets peuvent avoir un effet sur d’autres objets situés à distance des premiers.

Certains objets agissent à distance sur d’autres objets. Dans certains cas, comme le son et la lumière, l’effet résulte d’un rayonnement qui se déplace depuis la source jusqu’au récepteur. Dans d’autres, l’action à distance s’explique par l’existence d’un champ de force entre les objets, un champ magnétique ou un champ gravitationnel, par exemple.

La gravitation est une force universelle d’attraction qui s’exerce entre tous les objets, des plus grands aux plus petits. Elle maintient les planètes en orbite autour du Soleil et elle cause la chute des objets qui nous entourent vers le centre de la Terre.

SVT : les récepteurs sensoriels auditifs et visuels, les récepteurs chlorophylliens, les forces gravitationnelles dans le système solaire, les galaxies et l'univers.

8. Pour modifier le mouvement d’un objet, il faut qu’une force agisse sur lui.

Un objet en mouvement ne change sa vitesse que lorsqu’une force agit sur lui. La gravitation est une force universelle d'attraction qui [...] cause la chute des objets qui nous entourent vers le centre de la Terre.

SVT : les forces gravitationnelles dans le système solaire, les galaxies et l'univers.

7. L’énergie est transformée lors de certains changements ou événements, mais la quantité totale d’énergie présente dans l’univers demeure toujours la même.

Bien des processus ou des événements consistent en des changements au cours du temps, et cela requiert de l’énergie pour se produire. L’énergie peut être transférée d’un corps à un autre de bien des manières. Dans de tels processus, une partie de l’énergie est transformée en une forme moins facile à utiliser. L’énergie ne peut être ni créée ni détruite. L’énergie obtenue à partir des combustibles fossiles se dégrade en une forme plus difficile à utiliser.

SVT : flux d'énergie dans les écosystèmes, dans un être vivant autotrophe et/ou hétérotrophe. Energie interne de la Terre : convection mantellique, désintégration radioactive, etc..

 

2. La dynamique interne et externe de la Terre change le visage de sa surface au cours du temps. Depuis 10.000 ans l'homme participe aussi à cette évolution.

La surface de la Terre s’échauffe par le rayonnement solaire, cela crée des courants de convection dans l’air et dans les océans et est à l’origine des climats. [....] La chaleur provenant de l’intérieur de la Terre produit des mouvements des roches à l'état solide. La surface de la planète change constamment par la formation et l’érosion des roches, liées à la tectonique des plaques.

SVT : structure et dynamique interne et externe de la planète Terre.

1. Le système solaire représente une minuscule partie d’un univers formé de milliards de galaxies.

Autour du Soleil tournent en orbite huit planètes et d’autres objets plus petits, l’ensemble formant le système solaire. Le jour, la nuit et les saisons s’expliquent par l’orientation et la rotation de la Terre dans son mouvement sur elle-même et autour du Soleil. Le système solaire fait partie d’une galaxie d’étoiles, une parmi des milliards présentes dans l’univers, à des distances considérables les unes des autres. Un grand nombre d’étoiles possèdent des planètes.

 

3. Pour subsister, les organismes vivants ont besoin d’énergie et de matière, pour lesquelles ils sont souvent en compétition ou en dépendance avec d’autres organismes. A part les écosystèmes sous-marins profonds, tous nos écosystèmes sont dépendants de l'énergie solaire.

La nourriture fournit aux organismes matière et énergie, maintenant ainsi les fonctions vitales et permettant la croissance. Certaines plantes et bactéries peuvent utiliser directement l’énergie du Soleil pour produire des molécules organiques. Les animaux se fournissent en énergie en dissociant les molécules organiques de leur nourriture et dépendent en fin de compte des plantes vertes pour ce faire. Dans un écosystème il peut y avoir compétition pour l’énergie et la matière nécessaires à la vie et à la reproduction.

SVT : flux d'énergie dans les écosystèmes, dans un être vivant autotrophe et/ou hétérotrophe.

 

4. La diversité des espèces, vivantes ou éteintes, est le résultat d’une évolution qui se fait sur des temps longs. Les mécanismes principaux sont la selection naturelle et les varaitions génétiques de génération en génération. Depuis quelques centaines d'année, l'homme est devenu un facteur d'évolution de la biodiversité.

Toute vie aujourd’hui sur Terre descend directement d’un ancêtre commun universel qui était un organisme simple à cellule unique. Des modifications génétiques, survenues au cours d’une quantité immense de générations successives, ont abouti à la biodiversité. Les organismes incapables de s’adapter suffisamment aux changements de leur environnement ont disparu.

SVT : biodiversité, lois de l'évolution

 

5. L’information génétique est transmise d’une génération d’organismes vivants à la suivante, avec de légères modifications de la molécule d'ADN. Cette molécule marque l'unité du monde vivant.

L’information génétique au sein d’une cellule est contenue dans la molécule d’ADN sous forme d’un code à quatre lettres. Les gènes déterminent ledéveloppement et la structure des organismes. Dans la reproduction asexuée, tous les gènes du descendant viennent d’un parent unique. Dans la reproduction sexuée, chaque parent apporte la moitié des gènes.

SVT : reproduction et cycle de vie des êtres vivants, évolution génétique et mutation

 

 

6. Les organismes vivants sont tous formés de cellules.

Tous les organismes vivants sont constitués d’une ou plusieurs cellules. En général, les organismes pluricellulaires possèdent des cellules spécialisées et différenciées dans une fonction. Toutes les fonctions de base de la vie résultent de ce qui se produit à l’intérieur des cellules dont l’ensemble constitue un organisme. La croissance résulte généralement de multiples divisions cellulaires.

SVT : unité du vivant, croissance et développement des êtres vivants, Spécialisation cellulaire dans les fonctions de relation, de nutrition et de reproduction des êtres vivants.


Cinq thèmes développés pour les étudiants de l'ISPEF
Master 1 - MEEF - Semestre 1, depuis 2013

  1. Structure et dynamique de la Terre (2 heures)
  2. Structure et dynamique de la biodiversité (3 heures)
  3. Fonctionnement du corps humain (3 heures)
  4. Matière, mouvement, énergie et information (3 heures)
  5. Objets techniques et matériaux (3 heures)

ou plus de détails :

Chapitre
Le fonctionnement du corps humain et la santé
Chapitre
L’unité et la diversité
du vivant
Chapitre
Les êtres vivants dans leur environnement
Chapitre
La reproduction des plantes
Chapitre
Structure et dynamique
du globe

Chapitre
Matière, mouvement, énergie et information
Chapitre
Objets techniques et matériaux

 

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THEME
Le fonctionnement du corps humain et la santé

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Instructions officielles (BOEN, 2008)
Les mouvements corporels (les muscles, les os du squelette, les articulations).
Première approche des fonctions de nutrition : digestion, respiration et circulation sanguine.
Reproduction de l’Homme et éducation à la sexualité.
Hygiène et santé : actions bénéfiques ou nocives de nos comportements, notamment dans le domaine du sport, de l’alimentation, du sommeil.

Corrélations programmes de l'enseignement secondaire (collège et lycée)

Classe de cinquième (2008)
Classe de quatrième (2008)
Classe de seconde (2010)

Ressources : Atlas d'anatomie humaine de Frank Netter (2011)
Ed. Elsevier Masson; 5e édition (6 juillet 2011)

L'Atlas d'anatomie de Netter est un livre de référence internationale en raison de ses qualités iconographiques, scientifiques et pédagogiques. Les quelque 900 magnifiques illustrations, qui rendent cet ouvrage si attrayant, ne le cèdent en rien à l'exactitude scientifique. La sélection des figures et le choix des couleurs permettent au lecteur de saisir immédiatement l'élément qu'il recherche. De nombreux clichés d'imagerie moderne (TDM et IRM) et plusieurs schémas d'anatomie de surface permettent d'aborder aisément la sémiologie et la pathologie. Les légendes, conformes à la terminologie anatomique internationale (International Anatomical Terminology), facilitent la compréhension et la mémorisation des termes anatomiques. Des commentaires didactiques viennent parfois éclairer le lecteur sur des points particuliers.

Quelques planches disponibles en ligne ici...

Les fonctions de relation


Ressources DVD : C'est pas sorcier
Le corps humain : de la tête aux pieds
Le corps humain : le cerveau

Définition de la Main à la pâte : Les fonctions de relation sont les différentes fonctions permettant à un organisme d’interagir avec son environnement. Il s’agit essentiellement des fonctions sensorielles assurant la réception des informations extérieures, des fonctions motrices qui permettent à l’organisme de se déplacer et d’agir sur son environnement (contraction musculaire et mouvements) et des fonctions correspondantes du système nerveux (analyse et intégration des informations, commande musculaire, communication nerveuse). (D. Pol, 2001).


On peut identifier en étudiant les fonctions de relation des êtres vivants des réponses adaptatives aux milieux de vie (aérien, aquatique). Chaque milieu se distingue par ces propriétés physico-chimiques : varations de température, portance, resistance au déplacement, quantité de molécules gazeuses, etc...

1. Les fonctions motrices

Elles peuvent se comprendre comme la réponse des organismes à la résistance du milieu au mouvement, en relation de la surface d'appui, la densité et la taille de l'organisme. Par exemple, la locomotion sur le sol est associée à de faibles surfaces d'appui (jusqu'aux ongles pour certains !) alors que la locomition dans l'air est associée au développement de grande surface d'appui (avec des phénomènes de convergences entre des espèces qui ont des plans d'organisation très différents (oiseau, mammifère, insecte,...) mais qui présentent une structure similaire dans la fonction : les "ailes").


Schéma de l'organisation des membres antérieurs et postérieurs de quelques Vertébrés
Exercice classe de seconde, lycée lyonnais

Remarque : une architecture de membres articulés caractéristique des Vertébrés. Ces ressemblances dans l'organisation d'espèces différentes de vertébrés, à l'origine d'un groupe de la classification, laissent penser qu'il y a des liens de parenté. Au sein des vertébrés, ce sont d'autres caractères ou attributs qui vont permettre de les différencier d'un point de vue de leur histoire évolutive.

Eadweard Muybridge est un photographe britannique renommé pour ses décompositions photographiques du mouvement.

La photographie oscille ici entre science et art, ce qui discutée dans les milieux intellectuels de l'époque. Muybridge appartient à cette génération qui utilise la photographie comme témoignage scientifique. En 1887 est édité son plus important ouvrage, Animal Locomotion, en 11 volumes qui contiennent 100 000 photographies prises entre 1872 et 1885.

Selon la vision positiviste de Marta Braun (2001), Animal Locomotion ne s’accorde guère aux critères savants, bien moins que les chronophotographies de Marey. Si on la compare avec les protocoles du physiologiste français, il est difficile de comprendre en quoi l’œuvre de Muybridge correspond à [...] une démarche analytique, systématique, précise, objective et désintéressée.

Sciences, techniques et Sociétés : La polémique sur le galop du cheval

En 1872, le physiologiste français Étienne-Jules Marey affirme que les jambes d'un cheval au galop en viennent à se décoller du sol. Cette vision est vivement repoussée par les savants de l'époque. Un prix est promis à celui qui résoudra le problème. Pour trancher la question, Muybridge va utiliser la photographie. Le 18 juin 1878, devant la presse convoquée, il dispose 12 appareils photographiques le long d'une piste équestre blanchie à la chaux. En les déclenchant à distance par le biais de fils tendus, il obtient des clichés qui confirment la théorie de Marey. Le cheval utilisé pour ses expériences se nommait Occident. Le procédé photosensible utilisé par Muybridge était le collodion humide, qui permettait des temps de pose rapides mais qui devait être préparé quelques minutes avant d'être utilisé. Chaque appareil photographique se trouvait enfermé dans un petit laboratoire photographique où un opérateur était prêt à préparer le film lorsqu'il entendait un coup de sifflet [...].


The Horse in Motion, 1878, illustrated by E. Muybridge



Zoopraxiscope

 

À l'Exposition universelle de 1893, Muybridge donna une série de représentations sur la Science of Animal Locomotion dans le Zoopraxographical Hall, construit spécialement dans ce but...



Zoopraxiscope animé

 


Woman walking downstairs, 1887

Les organes qui permettent d'assurer la fonction de locomotion ont en commun une architecture de membre articulé : il est constitué de plusieurs segments de squelette osseux (tenus par des ligaments) et mis en mouvement par des muscles antagonistes :

voir aussi « le corps humain au rayon X »
Pichon Education


La contraction des muscles antagonistes produit des mouvements opposés sur les mêmes segments du squelette (in D.Pol, La Main à la pâte, 2006)

Voir aussi le site Biologie en flash (Bf) de Claude PERRIN
(à manipuler avec précaution et à commenter avec recul critique....)

Muscle Activation During Gait (0:23, Youtube)

Visualisation of muscle activation during gait using an anatomically-based model of the lower limbs. Concentric contraction is indicated in yellow, isometric contraction in orange and eccentric contraction in purple respectively.

Source : Research in musculoskeletal modelling at the Auckland Bioengineering Institute.

Ces muscles, reliées au squelette par des tendons, sont mis en mouvement par contraction, commandé par une activité nerveuse volontaire. Pour chaque articulation, il existe des muscles antagonistes : un pour la flexion, l'autre pour l'extension.

ACTIVITES : Comment la contraction musculaire permet-elle le mouvement du squelette ? (d'après Belin 2010, SVT classe de seconde, p.236-237)
Identifiez le moteur de la flexion et de l'extension de l'avant-bras. Réalisez un schéma fonctionnelle de ces mouvements.

ACTIVITE : Dissection de la patte de Grenouille (Rana, origine Indonésie) (avec les images de Sandrine Esquirol, Académie de Dijon)

  • Cuisse, jambe et pied
  • muscles flechisseurs et extenseurs de la jambe
  • muscle et tendons : structure et raccordement
  • colonne vertébrale, nerfs, système musculaire
  • os, articulation et ligaments

 


Zebrafish share more than 80% of the genes
associated with human diseases

Researchers at the Wellcome Trust Sanger Institute have found genes in zebrafish and people mutate in a similar ways, which in turn could help doctors understand the cause of diseases like cancer.
See video From BBC News, 18 April 2013


Socioscientific issue and ethics

European Union Directive for testing and experimentation using animal models : allow smaller cage sizes, the use of less humane killing methods and the watering down of the powers of ethics committees wich oversee animal research. Animal experiments increase last year, due to the use of genetically modified and harmful mutant animals (mice and zebrafish). In its statement, the Humane Society International urged to reduce animal suffering and improve the quality of medical research by replacing failing animal models with more advanced alternative techniques.

From BBC News, 17 May 2012 and 14 July 2011


In 1997 Dr Jay Vacanti and his team grew
an ear on the back of a mouse



In the UK protesters have targeted labs
where animals are tested


ACTIVITES : Education à la santé : étude de blessures du système musculo-articulaire (os, ligaments, muscles, tendons) : fractures des os, luxation (os déboité) et entorse (distension ou rupture des ligaments). (d'après Belin 2010, SVT classe de seconde, p.241-242 : l'entorse de la cheville et les ligaments)


Source : Le Petit Quotidien, en ligne


Source : Medlineplus.gov

 

 


Source : Centre orthopédique Pasteur de Brest



Shoulder dislocation


Normal Anatomy

 

Les mouvements du squelette répondent le plus souvent à une perception sensorielle.

2. Les fonctions sensorielles

Ressources DVD : C'est pas sorcier , Le corps humain et le cerveau

Dans le cas des mouvements volontaires, on peut mettre en évidence un schéma fonctionnel de type stimulus - récepteur - message nerveux - intégration sensorielle et réponse.

Schéma de la communication nerveuse sensorielle

Ce schéma est valable pour l'ensemble des cinq perceptions sensorielles. Chaque organe sensoriel est sensible à un stimulus, qui est perçu par des cellules nerveuses réceptrices et spécialisées :

Sens
Organe sensoriel
Stimulus
Récepteur
Le goût
La langue
Molécules chimiques
papilles gustatives permettant de distinguer les saveurs de sucré, salé, d'acide et d'amer.
L'odorat
Les fosses nasales
Molécules chimiques
chemorécepteurs
Le toucher


La peau
Contact, pression, température, douleur
des thermorécepteurs (chaleur), des mécanorécepteurs (pression) et des nocirécepteurs (douleur).
L'audition ou l'ouïe
L'oreille a des récepteurs sensibles aux ondes sonores
Vibrations sonores
récepteurs cochléaires ou organe de Corti.
La vision ou vue
L’œil, la rétine et ses photorécepteurs
photons
rétine avec des cellules nerveuses en cônes (snesibles à la longueur d'onde, couleur)
et des cellules nerveuses en bâtonnets (sensibles à l'intensité lumineuse).

Tableau des organes sensoriels, associés à chaque sens, à un stimulus particulier et à des cellules nerveuses réceptrices et donc sensorielles

ACTIVITES : Une personne voit et sent une fleur colorée et odorante. Elle l'approche de son nez pour apprécier son parfum. En même temps, elle entend le vol d'une guêpe se rapproche. Il l'entend et c'est pourquoi il étend rapidement son bras gauche pour éloigner l'insecte menaçant.
Q1 : Dans le texte, encadrer les stimulus, souligner les perceptions et entourer les réponses.
Q2 : Sur le dessin , représenter le trajet des messages nerveux.


Cellules nerveuses
(microscope optique x 600 ; coloration de Golgi)
Les neurones sont des cellules possédant des prolongements cytoplasmiques

En microscopie, les nerfs apparaissent comme des structures filamenteuses : il s'agit d'un assemblage de corps cellulaires, les cellules en question étant les neurones. Comme la plupart des cellules, le neurone possède un noyau, un liquide cellulaire (cytoplasme) et un membrane.

Le corps cellulaire est ici prolongé par un axone le long duquel va se propager une dépolarisation (millivolts) jusquà l'extrémité de l'axone. Ce message électrique provoque la libération de messages chimiques (neurotransmetteurs) qui se fixent sur les récepteurs membranaires d'un autre neurone : une nouvelle dépolarisation apparait avec la propagation d'un message bioélectrique.

Quand le signal arrive à proximité du muscle et plus exactement de la cellule musculaire (cellule géante en forme de fibre) qui possède un squelette moléculaire contractile, il y a libération d'un neuromédiateur qui provoque la déformation du cytosquelette et le raccourcissement de la cellule fibreuse et donc du muscle.

Des aires sensorielles et des aires motrices dans le cerveau qui ont besoin de dioxygène et de glucose pour son fonctionnement, tout comme les muscles ! L'imagerie médicale permet d'en étudier l'activité et les dysfonctionnements.

ACTIVITES : Education à la santé : Risques liées à la consommation d'alcools et autres drogues sur les fonctions sensorielles, notamment la transmission synaptique.

TRANSITION : Mais comment passe l'alcool jusqu'aux neurones ?
D'où vient le glucose et le dioxygène indispensable au fonctionnement des cellules nerveuses, musculaires et de toutes les cellules de notre organisme ?

La synthèse commentée de Philomène (juillet 2012)

Les organes sensoriels

Pour chaque organe des sens, des récepteurs spécifiques.

  • La langue a quatre types de papilles possédant des récepteurs gustatives :Les papilles caliciformes (amer), les papilles foliées (acide), les papilles filiformes (salé) et les papilles fongiforme (sucré).
  • L'oreille externe: Le pavillon capte et canalise les vibrations vers le conduit auditif. Ce conduit est rempli d'air et se termine par le tympan. Le tympan assure la transmission des ondes sonores et empêche l'intrusion de corps étrangers vers l'oreille moyenne.
    L'oreille moyenne est composée de trois osselets : le marteau, l'enclume (en forme de botte) et l'étrier. Ils transmettent vers l'oreille interne les ondes sonores.
    L'oreille interne est composées de plusieurs cavités remplies de liquide. Le vestibule (entre la cochlée et le nerf auditif) contient l'utricule et en-dessous de lui le saccule qui permettent l'équilibre. La cochlée perçoit les ondes sonores et les transmet au nerf auditif qui le transmet au cerveau.
  • L’œil possède deux milieux transparents, l'humeur vitrée et l'humeur aqueuse. La pupille s'ouvre et se referme selon l'intensité de la lumière. Le cristallin règle la netteté de la vision. Il permet de former à l'aider de la cornée et de l'humeur aqueuse la forme de l'image sur la rétine. Cette rétine contient des cellules photosensibles appelées cônes (sensibles aux différentes longueurs d'onde, couleurs) et bâtonnets (sensible à l'intensité lumineuse). Ces cellules sont reliées au nerf optique qui transmet l'information au cerveau. L’accommodation 'est la déformation du cristallin pour l'obtention d'une image nette sur la rétine.
  • Lors de la ventilation, des molécules odorantes se dissolvent dans le mucus et se lient aux chimiorécepteurs situés dans la membrane olfactive. Les chimiorécepteurs ont des cellules nerveuses pourvues de cils qui transmettent l'information au nerf olfactif qui la transmet ensuite au cerveau.
  • La peau a une couche supérieure appelée épiderme et une couche inférieure appelée le derme. Le derme contient des capillaires sanguins, des poils, des glandes sébacées, des glandes sudoripare et des récepteurs sensoriels de trois types : mécanorécepteurs (pression), des thermorécepteurs (chaud et froid) et des nocirécepteurs (douleur). Ces récepteurs envoient le message sensitif au nerf sensitif qui transmet ensuite au cerveau.

2) Notion de stimulus externe et de message nerveux.

Sous l'action d'un stimulus, les récepteurs formés de cellules nerveuses génèrent un message bioélectrique qui se propage le lond des nerfs jusqu'au cerveau.

Le rôle du cerveau

1) Perception.

Les messages sensitifs arrivent au cerveau ou la perception devient alors consciente, reconnu et localisé. Le stimulus réactive la mémoire par rapport aux expériences antérieures.

2) Élaboration de la réponse.

Ce stimulus reconnu, le cerveau envoie l'information à l'aire motrice qui élabore alors la réponse. Cette information passe par la moelle épinière et les nerfs moteurs afin de transmettre le message aux muscles qui enclenchent un mouvement dit volontaire.

3) Mouvement volontaire et mouvement réflexe.

Le mouvement volontaire est produit par l'intermédiaire du cerveau. Le mouvement réflexe se fait sans lui. Il y a ainsi différents types de réflexes. Des réflexes dits innés comme le clignement des paupières, le mouvement respiratoire, etc. ; des réflexes conditionnés ou acquis qui résultent d'un apprentissage et deviennent des automatismes : conduire, nager.

Les organes du mouvement

I / Les os

Ils forment le squelette et participe aux mouvements. On distingue les os longs (membres), les os courts (articulations) et les os plats (crane, ceinture pectorale)
Les os longs ont la particularités de présenter deux épiphyses contenant de la moelle rouge où se forment des cellules sanguines, et une diaphyse contenant de la moelle jaune. C'est la conception qu'ont généralement les enfants d'un os.
http://www.dsome.tice-burkina.bf/le%20squelette.htm

Durant la croissance les os grandissent en longueur et en épaisseur. Les os sont formés de cellules osseuses et de vaisseaux sanguins. Lorsque l'on vieillit, ils peuvent s'abimer plus ou moins (ex. Ostéoporose).

II / Les articulations.

Les os sont articulés entre eux par des articulations fixes au niveau du crâne, des articulations semi-mobiles au niveau des vertèbres et des articulations mobiles. Ces dernières possède de la synovie au niveau de la cavité articulaire et parfois un tissu cartilagineux permettant la cohésion entre les articulations : le ménisque.
Les os sont reliés entre eux par des ligaments : s'ils se déchirent ou s'étirent de trop, on se fait une entorse.
Il y a 4 types d'articulations : rotule (hanche, épaule), pivot (cheville, coude, genou), tenon (poignet), glissement (colonne vertébrale).

Les principaux os du corps  : os du crane, clavicule, omoplate, sternum, humérus, cubitus, radius, carpien, métacarpien, phalange, côte, vertèbre, os du bassin, fémur, rotule, tibia, péroné, tarsien et métatarsien.

III / Les muscles : ce sont les organes actifs du mouvement.

On différencie 3 types de muscles : muscles squelettiques ou rouges, muscles viscéraux ou blanc et muscle cardiaque. Le muscle est formé de fibres musculaires formant une partie renflée, avec aux extrémités des tendons. Lors d'un effort, les fibres musculaires peuvent se déchirer, ce qui provoque un claquage. D'où l'importance de l'échauffement.

1) Contraction musculaire.

Les os, les muscles et les articulations sont nécessaires pour produire un mouvement. Deux os se déplacent l'un par rapport à l'autre via une articulation (ex. les os de la jambe). Deux muscles antagonistes font des mouvements inverses. L'un se fléchit quand l'autre se tend. Ils sont dans ce cas reliés à deux os différents, entrainant donc un mouvement des os (par exemple, le biceps est relié au cubitus et le triceps est relié au radius ; quand le biceps se contracte, cela entraine un mouvement vers le haut du radius, quand il se relâche le radius redescend.). Quand un muscle est contracté, il gonfle et se rétrécit. Quand il est relâché, il s'allonge et s'affine.

2) Adaptation à l'effort.

Au repos, les muscles ont besoin d'une faible quantité d'énergie pour fonctionner, fournie par les molécules ATP (Adénosine Triphosphate) produites par l'oxydation des molécules de glucose (respiration cellulaire). L'apport en dioxygène est couvert par la seule ventilation pulmonaire. L'apport en glucose est fait par le glucose circulant dans le sang et absorbé par l'intestin grêle et stocké dans le foie sous forme de glycogène.
Lors d'un effort physique, le muscle se contracte provoquant un mouvement. Le muscle utilise l'énergie chimique de la molécule ATP mais qui ne sera pas en quantité suffisante. Il faut renouveler cet ATP rapidement par l'apport de dioxygène et de glucose. Cela se produit alors par l'augmentation de la ventilation pulmonaire et par la libération de glucose par le foie ou par une boisson riche en sucre par exemple. L'accélération du rythme cardiaque rend la circulation plus rapide pour l'acheminement de ces deux sources essentielles à la fabrication d'ATP lors de la respiration cellulaire.

Le déplacement

I / La notion de « plan d'organisation ».

Il y a un plan d'organisation commun aux vertébrés : une ceinture pectorale ou pelvienne, un os long pour le bras ou la cuisse, deux os pour les avants-bras ou la jambe, des petits os formant la main ou le pied. Le plan d'organisation des vertébrés varie selon les espèces en relation avec l'adaptation à leur milieu de vie.

II / Des structures adaptées aux différents modes de déplacement.

Les modes de déplacement sont associés à une anatomie et une morphologie particulière.

1) La marche et la course.

La marche est une succession de déséquilibre. La course impose un temps court ou les deux pieds ne sont pas en contact avec le sol. Selon les espèces, ce plan d'organisation des membres peut varier. Les plantigrades ont le pied entièrement sur le sol (ours, éléphant, homme). Les digitigrades ont seulement les doigts reposant sur le sol (chat, lapin). Les onguligrades marchent avec l'ongle reposé sur le sol (cochon, cervidés, cheval). En relation avec une adaptation à la course, le nombre de doigts est réduit, le pied est allongé, une musculature puissante et un système respiratoire et circulaire permettant des échanges gazeux respiratoires optimisés.

2) Le saut.

Il es composé de trois étapes : propulsion, détente et réception. Les membres postérieurs sont plus longs que ceux antérieurs, pattes en forme de Z avec un pied très long (lièvre).

3) La reptation.

Ondulations rapides du corps afin de pouvoir ramper. Le corps est allongé, pas de pattes ou des pattes latérales (lézard), colonne vertébrale souple, possède des écailles, des griffes.

4) Le vol.

Il y a trois phases dans le vol : l'envol, le vol et l'atterrissage. Chez les oiseaux et les chauves-souris, les ailes sont des membres, tandis que chez les insectes elle est une expansion de la carapace. L'adaptation au vol se détermine par la légèreté du squelette et des organes. Ils ont des os creux et des sacs aériens. Ils ont une forme aérodynamique.

5) La nage.

Pour nager, les poissons utilisent les mouvements de la queue et ondulations du corps. Mouvements des pattes chez la grenouille ou chez les insectes, pattes palmées, membres aplatis. Ces animaux ont une forme hydrodynamique et la surface de leur corps est glissante.

 

Source des images : site perso Classe5


Source : site professionnel Health Education de Naturovie




Accéder pour voir l'animation de Claude Perrin

Au commencement (ici, ni vraie prééminence, ni réelle antériorité) est un processus neurobiologique dont il est désormais acquis qu’il concerne non pas un mais les cinq sens : goût bien sûr (la saveur de l’aliment), mais aussi vue (son apparence), odorat (son arôme), toucher (sa texture), et même ouïe (le bruit que produit sa mastication).
À cette image multisensorielle viennent s’ajouter – mais quasi simultanément – quantités d’associations, d’évocations, de souvenirs plus ou moins concrets et conscients : cet épice exotique ouvre sur des mondes lointains, réels ou imaginés ; ce plat rappelle tel film, tel livre ou tel tableau ; ce pain au chocolat ou ce poulet rôti font ressurgir les goûters ou les déjeuners dominicaux de l’enfance... Enfin, troisième élément du triptyque : la somme des préférences et des aversions, des prescriptions et des tabous ancrés dans l’inconscient collectif par des siècles de tradition culturelle – religieuse, nationale, régionale, sociale, etc.
La reconnaissance de cette dimension culturelle a conduit, depuis un certain temps déjà, à promouvoir une « éducation au goût », où se mêlent préoccupations sanitaires (équilibre alimentaire, chasse au surpoids) et morales (éloge de la diversité, apologie du « naturel »). On ne peut qu’adhérer à un tel programme. Il en va des mets comme des mots : la richesse de l’éventail est gage d’épanouissement personnel comme de plaisir collectif. Prenons garde tout de même à ne pas céder à la tentation intégriste du salsifis laïc et obligatoire ! Tout enseignant l’a un jour amèrement constaté : le verbe aimer se conjugue mal à l’impératif. Nul n’ignore qu’entre parents et enfants, la nourriture devient vite source de conflits disproportionnés, et que, d’autre part, les repas pris en famille tendent à se raréfier. Alors, après tout, un festin de nuggets frites consommé en commun et en paix ne vaut-il pas mieux qu’un pensum d’endives chipoté sous la menace ? Au risque de choquer les puristes, il n’est peut-être pas mauvais, de temps en temps, de mettre un peu d’eau dans son vin. Les grands crus viendront plus tard
.

Guy Belzane (2011), Rédacteur en chef de la revue TDC, n °1022 - 15 octobre 2011

Chapitre 2 : les fonctions de nutrition

Définition LaMap : Les fonctions de nutrition correspondent à l’ensemble des fonctions assurant l’approvisionnement en matière et en énergie d’un organisme ainsi que son entretien et son renouvellement. Elles assurent ainsi la pérennité de l’individu. Ces fonctions comportent notamment l’alimentation, la digestion, la respiration, la circulation et l’excrétion. Il faut noter que, pris au sens strict, le mot nutrition correspond aux processus de transformation et d’utilisation des aliments par l’organisme (D. Pol, 2007).

Education à la santé

Lancé en 2001, le Programme national nutrition santé (PNNS) est un plan de santé publique visant à améliorer l’état de santé de la population en agissant sur l’un de ses déterminants majeurs : la nutrition. Pour le PNNS, la nutrition s’entend comme l’équilibre entre les apports liés à l’alimentation et les dépenses occasionnées par l’activité physique.

Alimentation et santé
Que veut dire "bien manger" ?

Remarque : définition de la matière organique comme un assemblage d'éléments C,H et O, avec des liaisons énergétiques, contrairement à celles qui constitue la matière minérale (CO2, O2, H2O,...). Avec l'eau qui domine, la matière organique entre dans la composition des êtres vivants (programme de seconde, 2010).

1. Rappel de l'organisation des appareils et organes impliqués dans les fonctions de nutrition

ACTIVITES : légender le schéma avec des couleurs différentes pour les appareils et organes circulatoires, excrétoires, digestifs, et respiratoires.

Pharynx :
larynx, trachée et oesophage
voie respiratoire et voie digestive

Cavité buccale adulte

2. L'appareil digestif

Le trajet des aliments - durée : 1min55

Vidéo source : non identifiée - par sebkamil in Dailymotion
Méthode de réalisation : radiographie et marquage des aliments
Nature des aliments : non identifiée.

Parcours d'une bouchée de brocolis dans notre tube digestif - durée : 1min47

Vidéo source : E-M6 vidéo - par Yannick Maubareigt in Dailymotion
Méthode de réalisation : images de synthèse
Nature des aliments : brocolis

Le lapin : modèle pour étudier l'anatomie de l'appareil digestif humain ?
Des vidéos pour préparer et accompagner votre dissection du lapin

Site de cours-svt.fr


Source : Ecole Raymond Chappa, Gap (05)

Mise en évidence de la structure de l'appareil digestif du Lapin. Ouverture de l'estomac
Source : Etudiante en M1, IUFM d'Auxerre,
mai 2012


A Natural History Class in a Primary School, Orme,
Dissection of a Rabbit, early 20th century
Affiches de collection / Figuratif (collection)

Question d'éthique et de déontologie
Est-il envisageable de faire une dissection en CE2 ?

La proposition de Francette EDET (2012)
Formatrice PE, Académie de Dijon

je l'ai moi-même pratiquée sur un lapin, dépouillé, avec des précautions toutefois:

  • explication avant de la nécessité d'aller "voir" dans un animal mort comment il est fait...pour les besoins de la connaissance, un peu d'hitoire des sciences !
  • discussion sur les pratiques abusives sur les animaux...question d'éthique !
  • c'est moi qui dissèque, pas eux, je fais toutefois souffler dans un petit tuyau introduit dans la trachée pour visualiser le fonctionnement des poumons.
  • je n'oblige pas les élèves à regarder. S'ils sont impressionnés, alors ils vont dans une autre classe avec des documents. L'expérience me montre toutefois que ces élèves [...] la plupart du temps, [...] reviennent à la fin de la dissection pour voir !
  • je leur donne des mouchoirs parfumés car le lapin, même très frais, sent toujours un peu !
  • je filme en caméra fixe pour pouvoir réutiliser ensuite.
  • pour ma part, rien avant le cycle 3 !

Les commentaires de Myriam VIAL (2014)
IA-IPR Sciences de la Vie et de la Terre, Académie de Lyon

Education à la responsabilité
vis-à-vis des espèces animales introduites en classe

La dissection du lapin est un classique à l'école élémentaire mais aussi au collège notamment dans le cadre de l'étude des grandes fonctions (digestion, excrétion, respiration). Il y a un site de référence quant aux pratiques manipulatoires de manière générale : il émane d'un travail de l'Inspecteur général Guy Ménant et est hébergé par le site de l'Académie de Toulouse. Voir auss les ressources nationales d'Eduscol et la plaquette Risque et sécurité en sciences de la vie et de la Terre et en biologie-écologie, ONS, octobre 2006), le site est actualisé en fonction des besoins, par exemple au moment de la grippe aviaire.
Voici le lien vers le site Eduscol avec les textes de référence. Le tout est inclus dans une réflexion plus globale sur l'éducation à la responsabilité.

Derniers décrets sur les dissections animales à des fins scientifiques

La règle des 3R dans la directive du 28 novembre 2014 du ministère de l'Education nationale à l'attention des recteurs d'Académie, concernant les dissections animales en cours de sciences, en lien avec les directives européennnes (2010) et nationales (2013) relatives à la protection des animaux utilisés à des fins scientifiques. Le ministère demande de réduire les dissections animales en SVT, aux « invertébrés qui n'entrent pas dans le champ d'application du nouveau dispositif réglementaire à l'exception des céphalopodes ». Il est précisé toutefois que l'utilisation de « vertébrés faisant l'objet d'une commercialisation destinée à l'alimentation » est autorisée. En résumé, la dissection sur la souris est terminée. Voir aussi le décret du  01 février 2013 sur la protection des animaux utilisés à des fins scientifiques.


Source : Ecole Henri Challand, Nuits-Saint-Georges (21)


Coupes transversaless de coeur de Lapin
Source : Etudiante en M1, IUFM d'Auxerre, mai 2012


Gonflement des poumons du Lapin
Source : Etudiante en M1, IUFM d'Auxerre, mai 2012


Dissection de l'Escargot en vidéo : Université Libre de Bruxelles

Il regroupe l'ensemble des organes qui sont issus du développement embryonnaire à l'origine d'un appareil permettant la digestion. La digestion est un mécanisme qui permet de transformer mécaniquement et chimiquement des molécules organiques complexes en molécules simples que l'on appelle les nutriments et qui sont assimilables (ils peuvent passer la paroi intestinale et se retrouvent dans le sang. La digestion est donc une simplication moléculaire. C'est une hydrolyse facilitée par des protéines catalyseurs que l'on appelle des enzymes. Ces enzymes sont fabriqués par les glandes salivaires, la vésicule biliaire, le pancréas exocrine, la paroi de l'estomac...

cf documents des simplifications moléculaires, de leur localisation dans l'appareil digiestif et des enzymes impliqués (protéases, lipases, saccharases, amylases, etc...).

Le passage des nutriments dans le sang se fait à travers la paroi de l'intestin grêle : on parle d'absorption intestinale. La structure de la paroi intestinale se présente sous forme de villosités et de microvillosités (jusqu'à l'échelle cellulaire), cette paroi est musculeuse (muscle lisse), relativement fine et richement irriguée. L'ensemble de ces structures permet d'augmenter l'efficacité de l'absorption. Il y a ici une adaption de la structure à la fonction. La paroi de l'intestin est une surface d'échange.

Schéma de la paroi intestinale :
villosités et système sanguin associé (artère, capillaires et veine intestinale).

 

 

Schéma général de la circulation - Vincent, 1991, p.247



Stockage dans le foie, les muscles (glycogène, voire la veine porte) et dans le tissu adipeux (lipides) - Vincent, 1991, p.302


3. L'appareil circulatoire

Système permettant la distribution des nutriments mais également des gaz respiratoires à l'ensemble des cellules d'un organisme pluricellulaire. Il est composé d'un liquide circulant dans un système clos chez les vertébrés et mise en mouvement par un muscle spécialisé : le coeur.

A. Le sang : tissu liquide formé de cellules spécialisées baignant dans un plasma (sédimentation). Par coagulation, le fibrinogène (protéine du plasma) se transforme en fibrine à l'origine de la formation d'un caillot de cellules sanguines. Deux familles cellulaires : hématies (erythrocytes) et leucocytes (de taille plus importante et nuclée), avec des fonctions différentes. Transports de gaz respiratoires grace aux molécules d'hémoglobine contenus dans l'hématie (Hb + O2 <-> HbO2). Rappel de la structure cellulaire. Les leucocytes (lymphocyte par exemple) interviennent dans les mécanismes de reconnaissance et de défense immunitaire, contre des agents étrangers (toxines, virus, bactéries et plus généralement tout corps antigène).. Signalons les plaquettes, fragments cellulaires qui interviennent dans les phénomènes de coagulation.

B. Les vaisseaux sanguins :

ACTIVITES : Coupe transversale d'une artère et d'une veine (Vincent, 1991, p.241). différence structurale dans l'épaisseur de la paroi, la richesse en fibres élastiques et musculaires. L'artère est particulièrement élastique. Cette structure est liée à une fonction particulière mise en évidence par Marey. Expérience du physiologiste français Marey destinée à montrer le rôle de l'élasticité des artères p.242

Artère, artériole, capillaires, veinule et veines (avec des valvules pour limiter le refoulement sanguin).

C. Le coeur

A la charnière d'une double circulation, formée de deux oreillettes et de deux ventricules contractiles. Il y a en réalité deux hémicoeurs, mise en évidence par des sections transversales de l'organe. Chez l'homme, il se met en place très tot lors du développement embryonnaire

Plusieurs phases successivement et rythmiquement de systole auriculaire, puis systole ventriculaire, puis diastole (relachement).
ACTIVITES : étude par cardiogramme, phonocardiogramme, électrocardiogramme (Vincent, 1991, p. 230, 234, 235, 236).
Valvules auriculo-ventriculaires et valvules sigmoïdes.
Description et schématisation de ces étapes en relation avec les signes perceptibles de la rythmicité cardiaque

4. L'appareil ventilatoire (respiratoire)

Attention à la confusion entre respiration et ventilation, qui correspond à l'ensemble des mécanismes qui permettent la criculation d'air et de gaz respiratoires dans les poumons, par inspiration et expiration.

La respiration est le processus qui va permettre aux cellules de l'organisme de récupérer l'énergie et la matière contenues dans les nutriments (qui sont des molécules organiques). il s'agit donc d'un mécanisme cellulaire fondée sur une réaction chimique. Il s'agit d'une oxydation complète (comme une combustion) des nutriments (les fermentations cellulaires, comme la fermentation lactique, alcoolique, etc...sont des oxydations incomplètes). On récupère toute l'énergie de la molécule organique sous forme d'autres molécules circulantes et on produit de la matière minérale (CO2 et H2O).

L'appareil respiratoire est l'ensemble des organes spécialisées dans les échanges de gaz respiratoires (O2, CO2). En toute rigueur, l'appareil ventilatoire et l'appareil circulatoire pourraient être compris, d'un point de vue fonctionnel, comme un même appareil, assurant la fonction respiratoire.... Mais pas d'un point de vue embryologique !

Les poumons (structure macroscopique, Vincent, 1991, p. 254) : compris dans une enceinte déformable, formée de côtes, de muscles, d'un sternum à l'avant et de la colone vertébrale à l'arrière et un muscle diaphragmatique à la base.

Cette radiographie d'un poumon humain montre la présence des bronches, qui se séparent en de nombreuses bronchioles. A l'extrémité de ces bronchioles se trouvent une multitude de petits sacs formés d'alvéoles. C'est à l'intérieur de ces alvéoles que se produisent les échanges gazeux. Source : site SVT de l'Académie de Créteil


1 - canal alvéolaire / 2 - septa secondaires / 3 - alvéoles / 4 et 5 - pneumocytes / 6 - capillaires
Source : Cours d'embryologie en ligne à l'usage des étudiants et étudiantes en médecine
Développé par les Universités de Fribourg, Lausanne et Berne (Suisse)


Animation of a diaphragm exhaling and inhaling
D'après John Pierce, 2008

ACTIVITES : Origine des mouvements ventilatoires (ventilation de 0,5 litres d'air): ventilation diaphragmatique ou muscles inter et subcostaux, sternum, plèvre (Vincent, 1991, p. 258).

Modélisation de Funke
Quand l'opérateur tire sur le "diaphragme", la pression diminue dans l'enceinte et le ballon se gonfle davantage. Dans la réalité, l'expiration est passive, par décontraction du diaphragme, et ici ?)

Inspiration
Expiration

Science in society

In the early and mid-1900s, many people were infected with the poliovirus. The poliovirus attacked the central nervous system and could cause paralysis. In some cases, people’s diaphragms were paralysed, so they couldn’t breathe. The iron lung was a machine that helped people with paralysed diaphragms to breathe....

LEARN MORE on the website of the University ofVirginia....

ACTIVITES : Analyse des courbes volumétriques en inspirations et expirations forcées (Vincent, 1991, p. 259)

A l'échelle microscopique : des alvéoles pulmonaires, à paroi mince, richement vascularisée : surface d'échange et encore une fois une adaptation de la structure à la fonction, avec des mouvements nécessaires de part et d'autre de la paroi, pour faciliter les échanges en l'air et le sang, en maintenant un gradient de concentration (comme dans le cas des échanges à travers la paroi intestinale).

ACTIVITES : Analyse de la teneur en gaz (O2, CO2) du sang artériel / sang veineux, tissus, air alvéoloaire et dans l'air inspiré, expiré et alvéoloaire (tableau Vincent, 1991, p. 262)

ACTIVITES : Modélisation des appareils respiratoires et circulatoires en fonction de différents milieux de vie : différentes formes (modèle) en fonction de milieux (air riche en 02 (trachée, poumon) et eau plus pauvre (branchie)), avec toujours des systèmes de ventilation pour favoriser les échanges et des systèmes de prise en charge des gaz (sauf pour les trachées).

5. L'appareil excretoire


Manneken-pis à Bruxelles
Source : Myrabella, 2011

Attention à ne pas confondre excrétion (rénale et urinaire) et excréments (ou excrétion) intestinales ! Si on entend par excrétion l'élimination des déchets, on peut considérer qu'elle est assurée par le foie (bile), par la peau (sueur), par l'intestion (substances diverses s'ajoutant aux excréments), par les poumons (CO2) et par les reins (urine).

Il assure l'élimination des déchets resultants du fonctionnement cellulaire et les excès sanguins liés à l'alimentation. Chez les Vertébrès.
Schéma de l'organisation du rein, uretère, vessie et urètre (Vincent, 1991, p. 273).Vascularisation importante et processus de filtration du sang et formation de l'urine. Encore une fois, une importante surface d'échange, comme dans les poumons ou l'intestion grêle.

ACTIVITES : Tableau comparaison plasma - urine (Vincent, 1991, p.276) : filtration et excrétion : déchets azotés (ammoniaque, urée, acide urinique, créatinine), ions minéraux et nutriments (lipides, protéines, glucose).

L'urine s'accumule dans la vessie, créant une distension responsable de la sensation de besoin. Le réflexe de miction (évacuation de l'urine hors de la vessie, vers l'extérieur) est en tout point comparable à celui de défécation. (Vincent, 1991, p.204). Comme lui, il est inhibé par la volonté.

La synthèse commentée de Philomène (juillet 2012)

I / L'alimentation.

1) L'utilisation d'aliments par l'organisme.

Les aliments peuvent être constitués de sels minéraux, d'eau, de vitamines, de glucides, de lipides et de protides. On retrouve les glucides majoritairement dans les aliments sucrés, les protéines essentiellement dans les viandes, poissons, œufs, les lipides surtout dans les matières grasses. Les vitamines et les sels minéraux sont concentrés dans les fruits et légumes, qui contiennent également des fibres végétales.

2) La digestion.

Quand les aliments sont ingérés, ils passent dans la bouche, au niveau de la langue et des 3 glandes salivaires qui vont dégager un premier enzyme (un catalyseur chimique) qui contribue à hydrolyser et à déstructurer les aliments. Puis, ils passent dans l’œsophage en direction de l'estomac où des sucs gastriques (ensemble d'autres catalyseurs enzymatiques) vont continuer à agir. Puis les aliments passent dans le duodénum où ils vont subir l'action des enzymes pancréatiques pour se poursuivre dans l'intestin grêle où le suc intestinal va faire son effet mais surtout là ou se produit l'absportion des nutriments. Puis le trajet se poursuit dans le gros intestin et finalement les aliments seront excrétés par l'anus via le rectum.

3) L'utilisation des nutriments.

Les nutriments sont des molécules qui constituent une source d'énergie et de matière pour l'organisme.

Les nutriments servent à la synthèse de molécules complexes (source de matière) :

  • La synthèse de protéines se fait à partir d'acides aminés.
  • La synthèse de glucides se fait à partir de glucose.
  • La synthèse de lipides à partir d'acides gras.

Les nutriments permettent aussi au fonctionnement des cellules des différents organes (source d'énergie), notamment le glucose pour le fonctionnement des cellules musculaires ou nerveuses.

4) L'absorption.

Les nutriments passent de l'intestin au sang et à la lymphe à travers la paroi de l'instestin grêle, grâce à l'existence de structures absorbantes, les villosités, qui leur permettent de passer dans les capillaires sanguins et les vaisseaux lymphatiques.

La paroi d'une villosité est constituée des cellules intestinales (ou enterocyte, dont on distingue ici le noyau, un par cellule !). La membrane d'un entérocyte présente des microvillosités augmentant la surface d'absorption. A la base des entérocytes, on distingue un capillaire sanguin contenant des hématies.


Schéma de l'organisation de l'appareil digestif
Source : site des laboratoires UPSA - Citrate de Bétaïne - Comprendre la digestion


La paroi de l'intestin présente des replis. Chaque repli est recouvert de villosités.
Source : Site de Jean-Pierre Berger, cours sur la digestion


Coupe schématique d'intestion grêle, avec détails des villosités
Source : cours de Gérard Chevrier

II / La respiration.

1) Trajet de l'air dans les organes.

L'air rentre par les fosses nasales où des muqueuses couvertes de cils retiennent poussières et microbes. Il passe ensuite dans le pharynx, le larynx et la tranchée. Cette trachée se divisent en deux bronches, chacune se dirigeant vers un poumon. Les bronches se divisent elles-mêmes en bronchioles.

2) Ventilation pulmonaire.

La ventilation pulmonaire est associée à l'inspiration et à l'expiration. Les mouvements ventilatoires ne viennent pas des poumons mais sont liés aux mouvements de la cage thoracique et du diaphragme. L'organisme absorbe du dioxygène et rejette du dioxyde de carbone. Ces échanges gazeux sont liés à la respiration cellulaire.

3) Les échanges gazeux.

Le dioxyde de carbone passe dans l'alvéole quand le dioxygène passe dans le sang. Les cellules des organes utilisent le dioxygène et rejettent du dioxyde de carbone. C'est la respiration cellulaire qui permet la récupération d'énergie par l'oxydation de matière organique.


Source : Assistance scolaire personnalisée - Collège - MAIF



Un sac alvéolaire est formé d'alvéoles. La paroi d'une alvéole es trichement vascularisée, ce qui permet les échanges gazeux respiratoires
Source : Assistance scolaire personnalisée - Collège - MAIF

III / La circulation du sang.

Le sang est le liquide qui assure la circulation des nutriments, du gaz, des molécules et des anticorps. Le sang est constitué de cellules et de plasma.

1) Fonctions de la circulation.

Le sang transporte des nutriments, du dioxygène et du dioxyde de carbone. Il fait circuler les hormones et certains de ces constituants permettent la cicatrisation et la fabrication d'anticorps.

2) Rôle et fonctionnement du cœur.

La partie gauche du cœur est riche en dioxygène & la partie droite est riche en dioxyde de carbone. La contraction du cœur (ou systole) s'alterne avec le relâchement du cœur (ou diastole). Ces différentes phases constituent le cycle cardiaque ou la révolution cardiaque.

Le cœur a besoin de nutriments et de dioxygène car c'est un muscle. Le pouls correspond à la contraction des ventricules. La tension correspond à la pression du sang dans les artères.

3) Les artères et les veines.

Les artères & les veines transportent le sang.

Artères
Veines
Parois dures
Parois flasques
Sang du cœur vers le corps
Sang du corps vers le cœur
Riche en O2 sauf artère pulmonaire riche en CO2
Riche en CO2 sauf veine pulmonaire riches en O2

IV / L'excrétion urinaire.

C'est l'élimination des déchets du corps sous l'action de l'appareil urinaire. L'appareil urinaire est constitué de deuxs reins, des bassinets reliés aux uretères qui rejoignent la vessie. Les molécules excrétées sont de l'urée, de l'amoniaque et de l'acide urique.


Schéma de l'appareil urinaire
Source : site de Didier Pol

 

Les fonctions de reproduction
Les stades du développement d’un être vivant (végétal ou animal) - Les conditions de développement des végétaux et des animaux - Les modes de reproduction des êtres vivants.

Les fonctions de reproduction regroupent l’ensemble des fonctions assurant la pérennité de l’espèce, par opposition aux fonctions de nutrition qui assurent la pérennité de l’individu. Il s’agit des fonctions assurant la production et la rencontre des cellules reproductrices lors de la reproduction sexuée, du développement et de la croissance qui conduisent à la formation d’un organisme adulte et des mécanismes assurant la reproduction asexuée. [...] en biologie, on définit l’état adulte d’un organisme par sa capacité à se reproduire (Pol, D., La Main à la pâte, 2001).
Espèce : l’ensemble des organismes susceptibles de se reproduire entre eux et d’avoir des descendants interféconds.

La reproduction sexuée se distingue de la reproduction asexuée (fréquente chez les végétaux) par le nombre de parents et la diversité génétique produite. Lors de la reproduction sexuée, il y a fusion de deux cellules reproductrices pour former un nouvel individu . Dans ce chapitre, on se concentrera sur la reproduction des animaux et de l'Homme.

1. La reproduction chez les animaux

Les cellules reproductrices sont formées dans des organes spécialisées qui produisent les spermatozoides ou les ovules. Dans le monde animal, les sexes sont souvent séparées et il y a souvent dimorphisme sexuel. Les cas d'hermaphrodisme (à la fois des testicules et des ovaires) sont rares et dans ces exemples, la reproduction sexuée exigent la rencontre de deux individus différents (pas d'autofécondation).

La fécondation des cellules reproductrices donne une cellule oeuf qui se développe pour donner un embryon (ou plusieurs si l'oeuf se fractionne et donne des jumeaux monozygotes (ou vrais jumeaux) !). L'embryon est un nouvel individu de la même espèce mais phénotypiquement et génétiquement différent des parents. C'est donc de la procréation et seul la reproduction asexuée conduit à un individu génétiquement identique.
La fécondation peut être interne (dans les voies génitales, avec accouplement) ou externe (se dérouler dans le milieu extérieur, le plus souvent aquatique d'ailleurs).

ACTIVITES : Fécondation chez l'oursin, chez la truite, Hatier, p 70.

Le développement de l'embryon humain peut se dérouler dans l'utérus et le placenta, organe temporaire, permet d'alimenter l'embryon à partir de l'oxygène et des nutriments du sang maternel. Dans ce cas, on parle de viviparité. Mais lorsque l'oeuf a suffisamment de réserves pour assurer le développement de l'individu, l'espèce est dite ovipare : l'oeuf se développe à l'extérieur de la mère et donne naissance, à l'éclosion, soit à une larve (développement indirect chez les insectes, les batraciens, les crustacés) ou à un jeune (développement direct comme chez les serpents, les lezards, les tortues, les oiseaux).

ACTIVITES : comparaison des ovules de différentes espèces et types de développement , Hatier p.71

ACTIVITES : les ovovivipares sont un cas intermédiaire : la fécondation est interne et les individus se développent à l'intérieur de l'organisme maternel mais sans relation nutritive ! A la naissance (ou éclosion ici !), les petits ont terminé leur développement.

Question d'éthique et de déontologie
Comment enseigner la reproduction à de jeunes enfants ?

R : La propostion de Francette Edet

"j'ai toujours commencé par la reproduction des animaux en posant la question suivante : savez-vous comment les animaux se reproduisent (ou "font des petits" pour les plus jeunes).
Je leur demande alors de choisir un animal et de dessiner comment il se reproduit ou "fait des petits". Les dessins sont un peu longs à réaliser car tous les interdits surgissent ainsi que la pudeur.. mais s'ils sont en confiance, ils s'expriment. On compare alors les réponses et on s'aperçoit alors que le vocabulaire est connu mais pas compris.

La dernière fois que j'ai conduit cela dans une classe (CE2), voici les questions qui ont été posées à la suite de la mise en commun des conceptions révélées par les dessins :

  • Faut-il un mâle et une femelle pour faire des petits ?
  • Quand ils s'accouplent, que font-ils ?
  • Est-ce que la femelle de l'escargot a des spermatozoïdes ?
  • Est ce que tous les animaux ont des spermatozoïdes et des ovules ?
  • Est ce que les animaux à poils, à plumes, à écailles, à peau nue pondent des oeufs ?
  • Est ce qu'il faut deux sexes : ovule et spermatozoïde ?

Nous avons alors conçu des séances pour répondre à ces questions. Ensuite, on peut aborder la reproduction sexuée chez l'homme, au CM1 et CM2.
Pour la maternelle, la plupart du temps, c'est l'album qui est la situation de départ permettant de recueillir les conceptions."

Question d'éthique et de déontologie
Peut-on réaliser un élevage de poussins ?
Peut-on réaliser des dissections d'oeufs fécondés ?

R : La proposition de Bruno Hennoque

"Il faut que le risque de grippe aviaire soit qualifié de négligeable par le ministère de l'agriculture. Jusqu'à présent, il a toujours été un cran au dessus, c'est-à-dire faible".
Pour vérifier le niveau actuel : http://www.grippeaviaire.gouv.fr/

La réglementation en vigueur est disponible ici : BO n°8 du 21 février 2008 (circulaire n°2008-021).
GRIPPE AVIAIRE : Recommandations à l’intention des personnels, des enseignants, des étudiants et des élèves de l’enseignement public et privé sous contrat d’association.

Albums pour enfants de Stéphane Frattini
Milan Jeunesse

Le jeune (développement direct) ou la larve (développement indirect) subissent alors un développement post-embryonnaire (qualitatif) et une croissance (phénomène quantitatif, avec croissance continue ou discontinue, en fonction de la présence ou non d'un exosquelette) jusqu'à l'âge adulte, correspondant à l'acquisition de la maturité sexuelle.

Ces processus de reproduction définissent un cycle de reproduction des espèces, plus ou moins liées à l'alternance des saisons et qui contribuent au peuplement des milieux et la survie de l'espèce, avec des changements de milieu de vie chez certains animaux.

Observer la nidification et les comportements associés
Suivre « en direct » l’éclosion d’oisillons de différentes espèces


Observez ici les Faucons pèlerins en direct

Les images sont transmises en direct et 24h/24h depuis la cathédrale des Saints Michel et Gudule, à Bruxelles. La caméra est installée à 1 m du nid et est télécommandable depuis le poste d’observation situé sur le parvis.


ACTIVITES : Le cycle de développement de la pyrale du Maïs (Hatier, p. 104).

2. La reproduction et la sexualité de l'espèce humain

Question d'éthique et de déontologie
Education à la sexualité : Quelle responsabilité pour les enseignants ?

  • D'après Tavernier R. et Lamarque J. (2006, p. 324)
    [...] De nos jours, la vie quotidienne étale le spectacle de la sexualité : affiches de film, kiosques à journaux, informations télévisées avec allusions fréquentes à la prostitution, au viol,..., publicités faisant appel à l'érotisme [...], liberté de langage [ndlr. notamment radiophonique].... Ces images [...] peuvent entrainer de l'anxiété (la sexualité serait-elle liée à la violence ?) et surtout donnent une image fausse de la sexualité humaine, donnent une image fausse de la sexualité humaine, sans amour et sans respect. L'école peut-elle continuer à ignorer ces faits de civilisation ?
    Choisir de ne pas parler de ce sujet, c'est laisser à la rue la responsabilité de cette éducation puisque, en pratique, de nombreuses familles se sentent mal préparées à assumer cette responsabilité. Une attitude réticente ou gênée des adultes devant les interrogations des enfants peut faire naître le sentiment que, sur ce sujet, les échanges avec les "grandes personnes" sont interdits
    .
  • Voir aussi Vincent Peillon se penche sur l'éducation à la sexualité, Le Figaro du 24 octobre 2012.
Objectifs éducatifs
- Fournir à chaque enfant l'occasion de parler de la reproduction humaine, devant ses camarades et en présence d'un adulte, dans une ambiance saine et détendue.
- Organiser des connaissances souvent décousues et issues d'une information empirique fragmentaire
- Préparer l'enfant à son avenir (puberté, menstruation), en l'aidant à comprendre les différences entre les deux sexes, en montrant qu'elles supposent une complémentarité (et pas une inégalité), les aidant ainsi à assumer psychologiquement l'appartenance à son sexe.

.

Après son formidable succès en 2007 puis un voyage de 7 ans en Europe et dans toute la France, Zizi Sexuel l’expo revient à la Cité des sciences et de l’industrie.

Aujourd’hui, le contexte a sensiblement changé : l'usage généralisé d'internet comporte certains risques comme l’accès de plus en plus précoce à la pornographie. De même, la multiplication des réseaux sociaux peut menacer le respect de la vie privée ou de l’image d'autrui. Pourtant, les questions des enfants de 9 à 14 ans autour de l’amour, de la puberté et de la sexualité sont fondamentalement les mêmes. Malgré les évolutions de la législation, propos homophobes et injures sexistes restent encore trop souvent entendues dans les cours de récréation.

Zizi Sexuel l’expo a donc bien toujours sa place à la Cité des Sciences et de l'Industrie car elle prône, dans le champ de l'amour, des valeurs essentielles comme le respect de l’autre et de soi-même, le consentement mutuel et l’égalité des sexes.



Ressources video
Tavernier N. (2005), durée : 1h22

 


Extraits disponibles sur Youtube
(sans commentaires)

 

 

Gestation en accélérée
(9 mois en 40 secondes)
cliquez pour voir les vidéos

 

Accouchement en 3d

Source : Nucleus Medical Media's 3D medical animation : view of labor and delivery during normal vaginal birth in a simplified form with only the mother's skeletal structures and the baby in the uterus. Also shown in detail is dilatation (dilation or dilating) and effacement (thinning) of the cervix during childbirth contractions.

 

Cycle de développement : de la fécondation jusqu'à maturité sexuelle
les transformations de la puberté, caractères sexuels secondaires, déterminisme hormonal.
fécondation interne, développement direct, vivipare.

Description du rapport sexuel (éducation à la sexualité)

A. Anatomie des appareils reproducteurs des deux sexes


Fallopio Gabriello
16th century portrait by unknown artist

Sciences et sociétés
Un peu d'histoire des hommes de sciences....

Gabriele Falloppio ou Gabriele Falloppia (né v. 1523 à Modène - mort le 9 octobre 1562 à Padoue), est connu dans les lettres françaises sous le nom de Gabriel Fallope et dans la République des Lettres sous son nom latin Fallopius.

Il était naturaliste, botaniste, anatomiste et chirurgien italien du XVIe siècle, considéré comme un important anatomiste et médecin de son époque. Il a étudié l'appareil reproducteur des deux sexes, et décrit les trompes de Fallope, organes qui mènent de l'ovaire à l'utérus.

Spermatogenèse et ovogenèse (par méiose), déterminisme hormonal, comparaison des processus
(tous les chiffres sont des chiffres moyens. Il ne faut pas négliger les variations intraspécifiques et individuelles)

ovogenèse
spermatogenèse
gamètes
durée de vie des gamètes
   
organes producteurs
période de production
rythme de production

This normal ovary was removed in the course of a hysterectomy for uterine disease. The bright yellow corpus luteum is fully developed, as it would be in the mid-luteal phase of the menstrual cycle following ovulation. The corpus luteum produces progesterone, which supports the endometrium's ability to accommodate the implanted conceptus. If a conceptus implants, the corpus luteum grows even bigger, to form the so-called "corpus luteum of pregnancy." If no pregnancy occurs, the corpus luteum shrinks dramatically to become a corpus albicans. This ovary also sports several corpora albicantia from previous months' cycles, one of which is marked.

Source : Euthman (2008) sur le site Flickr.com

Exercice : sachant la durée de vie des gamètes mâles et femelles, sur le schéma du cycle menstruel, déterminer la période de fécondité.

C. De la fécondation à la nidation (mitoses) : première semaine du développement embryonnaire
L'odyssée de la vie (Youtube video : 14min)
L'odyssée de la vie - Les jumeaux (Youtube : 1min38)

D. Contraception et aide à la procréation (Education à la santé)

Choisir ou non d'avoir un enfant (contraception réversible et irréversible (stérilisation s.s.); pourcentages d'efficacité).
Contraception et lutte contre les inections sexuellement transmissibles (IST).
Procréation médicalement assistée : par FIV ou par fécondation in vivo (insémination articifielle ou ovulation par stimulations hormonales).

E. Etapes du développement et de la croissance embryonnaire (durant la gestation ou grossesse)

En moyenne, 270 à 280 jours après le début des dernières règles (aménorrhée = arrêt des règles).
avec deux phases : organogenèse embryonnaire (jusqu'à deux mois) et croissance et maturation foetale (de 2 à 9 mois). Maturation notamment du système nerveux, avec des multiplications cellulaires intenses entre 12 et 18 semaines). On passe d'un être vivant de quelques millimètres à un être de 30 cm (longueur du tronc à l'encéphale).

EXERCICE : sur le document, déterminer l'âge de l'embryon en fonction de sa longueur (3,5 cm, soit environ 7-8 semaines).

Mise en place du système circulatoire (coeur et vaisseaux), nerveux, génital (bourgeon génital qui se différencie à la 10eme semaine environ en pénis ou clitoris, en testicules ou ovaires, différenciation externe visible par échographie, mais également interne).
Mise en place d'annexes embryonnaires (organes temporaires, en relation avec un embryon sans réserves) :
- placenta (ayant un rôle de fixation, de respiration, de nutrition et d'excrétion, caractéristique des mammifères vivipares),
- cordon (contenant deux veines et une artère ombilicale) et amnios (poche des eaux). Possibilité de détecter le début de grossesse par l'hormone HCG fabriqué par le placenta (hormone embryonnaire comparable à la LH), que l'on retrouve dans le sang de la mère.

Alimentation par assimilation placentaire (après la naissance, on passe à une assimilation intestinale) et respiration placentaire (pas de mélange de sang), on passe à une respiration pulmonée. Barrière placentaire sélective et risques liés aux infections ou à la consommation de substances (médicaments, hormones et toxiques) portées par la mère - Education à la santé : relations mère-foetus

Pour la mère : au premier trimestre : gonflement des seins, sommeil, fatigue, vomissements et irritabilité parfois. Puis le volume de l'utérus augmente, une prise de poids moyenne de 1 kg par mois, et les premiers mouvements du foetus sont perceptibles. Le masque et la ligne de grossesse apparaissent également. 2500 kcal/jour, avec certains aliments et comportements à éviter, et un maintien recommandé de la vie active.

Suivi médical de la grossesse : par échographie (imagerie avec doppler, formation des organes, rythme cardiaque perceptible) et parfois une amniocentèse est pratiquée (prélèvement de liquide amniotique à la 15ème semaine et culture de cellules embryonnaires, avec des risques de fausse couche). Détermination du caryotype : on dénombre les chromosomes et le sexe de l'enfant (46,XX ou 46,XY). On peut détecter des anomalies dans le nombre de chromosomes

EXERCICE : syndrome de Down (47,XX ou 47,XY : trisomie 21), probabilité de 1/5.000 ou syndrome de Turner (45, X0) probabilité de 1/3.000). L'amniocentèse ne détecte pas les anomalies chromosomiques de remaniement intra ou interchromosomiques (exemple de la drépanocytose, mutation génétique).

F. L'accouchement et l'allaitement

Entre 37 et 43 semaines, résultat de la modification de la concentration hormonale (chute du taux de progrestérone et d'oestrogènes qui avaient augmenté considérablement par des sécrétions placentaires). Lorsque le foetus exerce une pression croissante sur la paroi de l'utérus, les sécrétions hormonales ralentissent et le déséquilibre hormonal déclenche la fin de la gestation et les premières contractions utérines, renforcées par une hormone hypothalamique : l'ocytocine.

Différentes phases de contraction : utérine (spontannée, tous les 3 minutes, phase de travail de 6 à 10 heures - puis phase de délivrance du placenta, 20 minutes après l'expulsion) et abdominale (volontaire, pour faciliter l'explusion du foetus par voie pelvienne). Le col de l'utérus s'élargit et l'utérus et le vagin ne forment qu'un seul cylindre. Sous l'effet de la pression, la membrane de l'amnios se déchire (rupture de la poche des eaux). La mère en position d'accouchement entre en phase de dégagement (de 15 min à 1 heure).

Le lendemain, mise en place hormonale du circuit de lactation (montée laiteuse), sécrétion entretenue par le réflèxe neurohypophysaire de la tétée. Rôle de la prolactine (sécrétion) et de l'ocytosine (excrétion). Il s'agit de deux hormones hypophysaires.

Les appareils respiratoires et digestifs deviennent fonctionnels progressivement et on constate une baisse de poids durant les trois à quatre premiers jours (200 grammes environ). Le nouveau né reprend ensuite sa phase de croissance.

Remarque : A noter qu'à partir du 6 mois, si l'expulsion du foetus se produit, on parle d'accouchement prématuré. Avant, il s'agit d'une fausse couche puisque le foetus est incapable de mener une vie autonome (estimation à 50% des grossesses). L'origine peut être génétique, ou liée à une malformation de l'utérus, ou une malagie infectieuse (rubéole ou toxoplasmose) ou à une insuffisance hormonale.

G. Les phases de l'enfance

Après la vie utérine, on passe à la petite enfance (du nouveau-né au nourisson puis au petit enfant agé de 30 mois) et avec l'apparition de toutes les dents de lait (2 incisives, 1 canine, 2 premolaires, dans l'ordre d'apparistion : i1, i2, p1, c, p2), on entre dans la moyenne enfance.
Entre 6 ans et onze ans, ce met en place de la deuxième dentition : la dentition définitive (dents de remplacement et dents de compléments (2+1 molaires), on entre dans la grande enfance, jusqu'à la puberté et l'adolescence (ordre d'apparition : m1, i1, i2, p1, C, p2, m2 et m3 qui pousse entre 25 et 30 ans).

Denture d'une enfant de six ans


Source : Banque d'images du Lycée G. Fauré de Foix


Cevical decay on a premolar
Source : Lycaon, 2006


Source : de:Benutzer:RosarioVanTulpe

Definition : Dental caries, also known as tooth decay or a cavity, is an irreversible infection usually bacterial in origin that causes demineralization of the hard tissues (enamel, dentin and cementum) and destruction of the organic matter of the tooth, usually by production of acid by hydrolysis of the food debris accumulated on the tooth surface. If demineralization exceeds saliva and other remineralization factors like from calcium, fluoridated tooth pastes, these tissues progressively break down, producing dental caries (cavities, holes in the teeth). Two groups of bacteria are responsible for initiating caries: Streptococcus mutans and Lactobacillus. If left untreated, the disease can lead to pain, tooth loss and infection. Today, caries remains one of the most common diseases throughout the world. Cariology is the study of dental caries.


A service of the U.S. National Library of Medicine
From the National Institutes of Health

Voir aussi :
Evelyne PEYRE E. et GRANAT J. (2004). Préhistoire de l’art dentaire : quelques pathologies comme témoins de l'évolution de l'Homme, disponible en ligne.

 


Activités : courbes de croissance (taille et poids)

Durant ces phases de l'enfance, il y a maturation et croissance des tissus et des organes, par division et/ou croissance des cellules. On distingue des croissances relatives différentes entre les différentes parties du corps jusqu'à la puberté (exemple des centres nerveux et des organes génitaux, avec des inflexions de courbe vers 11-12 ans) :
- Dans les centres nerveux et les muscles, l'organisme possège la totalité de ses cellules qui grossissent et établit des prolongements plus nombreux.
- Dans le sang, les os, l'épiderme, il y a renouvellement cellulaire.

Conclusion

L'espèce humaine est donc vivipare, comme l'ensemble des mammifères (qui ont un placenta et allaite leurs jeunes). La durée de gestation et le soin apporté aux jeunes par la mère permettent d'assurer la pérénité de l'espèce. Contrairement à celles des autres mammifères, la période de fécondité humaine dure toute l'année (sans signes extérieurs). D'autres particularités de la reproduction humaine, liées au psychisme et à la culture, résident dans la séparation entre reproduction (procréation) et sexualité (attraction sexuelle et plaisir), et l'isolement des parents lors de l'accouplement. Les connaissances scientifiques des mécanismes de la reproduction ont permis de renforcer cette séparation, de permettre un contrôle et une surveillance de la reproduction, avec des possibilités d'assistance médicale à la procréation ou à la contraception. Ces connaissances contribuent à la compréhension des mécanismes et sont mobilisées dans l'éducation à la sexualité et à la santé, en relation avec des considérations éthiques et politiques.

VIVIPARE
OVIPARE
Type de fécondation
Lieu du développement embryonnaire
Modalités de nutrition de l'embryon
Modalités de respiration de l'embryon
Développement directe ou indirecte
Soins donnés aux jeunes
Croissance et développement

La synthèse commentée de Philomène (juillet 2012)
Il y a deux types de reproduction : sexuée et asexuée.
La reproduction asexuée est une reproduction par simple division cellulaire. Ces individus issus de cette reproduction sont tous identiques au « parent ». (ex, l'hydre par bourgeonnement, dans des conditions favorables, mais elle a aussi une reproduction sexuée de type hermaphrodite.)
La reproduction sexuée est présente chez les êtres vivants possédants des cellules sexuelles distinctes.

La division cellulaire peut conduire (méiose) ou non (mitose) à une réduction du nombre de chromosomes.

  • Dans le cas de la mitose, les ceulles filles sont génétiquement, en première approximation, identiques à la cellule mère (sauf phénomène de remaniement chromosomique).
  • Dans le cas de la méiose, la réduction chromosomique conduit à deux cellules filles qui possèdent la moitié du patrimoine génétique de la cellule mère (sauf phénomène de remaniement chromosomique ou d'aneuploïdie). Ces cellules sont dites haploides.

I/ Caractéristiques générales de la reproduction sexuée :

Pour une reproduction sexuée il faut, à priori, les éléments suivants :

  • deux individus de sexes opposés et génétiquement différents (de la même espèce) et ayant atteint leur maturité sexuelle (sauf parthénogenèse : reproduction monoparentale comme chez l'Escargot)
  • émission de cellules reproductrices via les testicules ou ovaires, dans le milieu de vie (le plus souvent aquatique avec fécondation externe) ou dans les voies reproductrices de la femelle en milieu aérien (fécondation interne).
  • Rencontre de ces cellules
  • Fusion des deux cellules : fécondation, avec assemblage de deux contenus chromosomiques des parents, pour reconstituer le contenu chromosomique de l'espèce mais différent des parents (différent mais parent !). La cellule oeuf va ainsi présenter des caractéristiques des deux parents mais aussi des nouvelles.


Voir le document de Didier Pol (2007) sur la reproduction de l'Escargot
(Source : La Main à la Pate et La Banque nationale de photos en SVT)

II / Les phénomènes nécessaires à la formation de l’œuf.

1) ce qui est préalable à la fécondation.

Il faut (on constate la présence) des appareils producteurs avec au moins un testicule et un ovaire. D'autres organes génitaux peuvent s'y ajouter afin de permettre la reproduction (oviducte, utérus, vagin pour la femelle, spermiducte, pénis pour le mâle).
Les spermatozoïdes et ovules (cellules reproductrices) sont composés d'un noyau et d'un cytoplasme, comme toute cellule mais ils ont la particularité d'avoir un nombre de chromosomes « n » (cellule haploide) tandis que les autres cellules de l'organisme possèdent un nombre de chromosomes « 2n ».

2) Différentes étapes possibles pour aboutir à la fécondation.

Des comportements sexuels variés comme des signaux visuels, auditifs, olfactifs ou encore tactiles.
Puis plusieurs formes de reproduction sont possibles :

  • accouplement et fécondation interne : les spermatozoïdes mâles passent directement chez la femelle (mammifères, oiseaux)
  • accouplement et fécondation externe : après l'accouplement, la femelle dépose ses ovules et le mâle dépose ses spermatozoïdes sur les ovules (batraciens).
  • Pas d'accouplement mais fécondation interne. Le mâle dépose ses spermatophores sur le sol et la femelle se fait inséminer elle-meme en se posant dessus sur le sol (scorpion).
  • Pas d'accouplement et fécondation externe : les rencontres entre ovules et spermatozoïdes se font par hasard dans l'eau (ex des oursins)

3) La fécondation : un événement fondamental.

La cellule-oeuf est ainsi le résultat de cette fécondation. Un seul spermatozoïde peut pénétrer dans l'ovule (sauf dans les cas de polyspermie qui conduisent à la dégénérescence de la cellule oeuf).

Les cellules reproductrices mâles sont en général produites en quantité supérieure et de manière continue, ce qui différencie souvent la gamétogenèse mâle et la gamétogenèse femelle...

 

Fecondation interne
Fécondation externe
Accouplement
Pas d'accouplement

III / Les étapes postérieures de la fécondation.

1) Qu'est-ce qu'un œuf ?
Dans le langage courant, en référence à la reproduction des oiseaux et/ou à notre alimentation, il désigne un œuf avec coquille type œuf de poule... voire œuf de poisson. Pourtant, il peut s'agir aussi d'un œuf microscopique dans le corps de la femelle. C'est pourquoi, les scientifiques parlent plutôt de cellule-oeuf.

2) Les modalités de développement.
La cellule-oeuf se divise (multiplication par division cellulaire de type mitose) et les cellules produites se différencient pour donner un embryon.

  • Chez les ovipares, les animaux qui pondent des œufs, l'embryon se developpe grâce aux réserves nutritives contenues dans l'oeuf. Tous les animaux ne prennent pas soin de leurs œufs durant le développement embryonnaire. Tout dépend des espèces.
  • Chez les ovovivipares, les œufs se développent dans le corps de la femelle grâce aux réserves nutritives contenues dans l'oeuf. Il s'agit d'une sorte de couvaison interne (comme les vipères).
  • Chez les vivipares, l'oeuf est fixé dans l'utérus (nidation interne) et l'embryon se développe en relation avec la mère. C'est par le placenta que se font les échanges respiratoires et nutritifs entre la mère et l'embryon.
On discutera dans une perspective d'éducation à la santé le fait que la "barrière placentaire" laisse "passer" des molécules ou organismes de petite taille présentent dans le sang de la mère, comme certaines substances médicamenteuses, des drogues, des virus, etc...
IV / Des particularités : hermaphrodisme et parthénogenèse.

- l'hermaphrodisme :
cela concerne quelques animaux possédants les organes reproducteurs males et femelles (escargot), ils doivent néanmoins s'accoupler pour accomplir une fécondation, mais cette dernière est optimisée dans la mesure où chaque individu-parent pourra l'accomplir dès que la maturité de ses cellules sexuelles le permettra.

- la parthénogenèse :
Elle intervient chez certains animaux pour donner naissance à une descendance à partir d'une seule gamète femelle. La reproduction sexuée existe néanmoins. Chez les abeilles par exemple, les œufs fécondés donnent des ouvrières ou reines, les œufs non fécondés donnent via la parthénogenèse des mâles (ou faux bourdon).



© Bernard Sullerot
Source : Vincent Béranger, professeur de SVT
Créer une « classe abeille » - SVT / 6e - Document CNDP
TDC n°1014 - 15 avril 2011 : Le Monde des Abeilles


Développement et croissance chez quelques animaux

I/ Des définitions pour distinguer les concepts.

  • La croissance (phénomène quantitatif) : c'est l'augmentation irréversible de la masse ou de la matière. Chez les animaux, elle se déroule de la naissance à l'âge adulte alors que chez les végétaux, elle ne s'arrête jamais.
  • Le développement (phénomène qualitatif) : c'est la façon dont va évoluer l'être de la cellule-œuf jusqu'à sa mort. Chez les animaux, on distingue ainsi le développement embryonnaire (formation d'un individu), juvénile (taille et maturation des organes), adulte (maturité sexuelle) et sénile (fonctions diminuées).
    Chez les végétaux, le développement embryonnaire est court (de la fécondation à la plantule dans la graine) et le développement post-embryonnaire correspond au passage de la plantule à la plante développée.

II / Une succession d'étapes communes.

Chez les animaux, on distingue 3 étapes communes : un développement embryonnaire, une croissance et un développement juvénile avec chez certaines espèces des métamorphoses, puis le vieillissement.

III) Le développement diffère selon les espèces en fonction de l'aspect du petit à la naissance.

  • on parle de développement direct quand le petit se transforme sans changer de forme (ex. homme, chat, poule, escargot), on parle alors de « jeune ».
  • on parle de développement indirect quand le petit est différent de l'adulte par sa forme. On parle alors de larve (papillon, crabe, grenouille, puce). Les transformations vécues afin d'atteindre la forme adulte sont appelées des métamorphoses. Ces métamorphoses peuvent être progressives (ex. : grenouille) ou marquées (ex. : papillon). On distingue alors trois stades :
    - Stade larvaire : la larve est enfermée dans un exosquelette. À chaque mue, quand elle se débarrasse de son exosquelette, la larve a une poussée de croissance. Un nouvel exosquelette se reforme et cela se fait autant de fois que cela est nécessaire selon les espèces. La dernière mue est la « mue nymphale ».
    - Stade nymphal : Durant ce stade, la larve ne se nourrit pas et ne se déplace pas. La larve se transforme peu à peu en adulte. La larve mue pour le stade de la mue imaginale.
    - Stade imaginal ou adulte : À ce stade, l'adulte est capable de se reproduire.
    Chez le papillon, ces 3 stades ont des noms spécifiques : chenille pour la larve, chrysalide pour la nymphe et papillon pour l'adulte.

3) La croissance diffère selon les espèces avec la présence ou l'absence d'un exosquelette.

Chez les animaux avec une peau non rigide, la croissance est continue. (truite, criquet, chat, serpent)
Chez les animaux avec exosquelette, la croissance se situe entre la perte d'une mue et la formation d'une nouvelle. Cette croissance est donc discontinue (coccinelle).

Remarque : Chez le crapaud, qui a un stade larvaire, la croissance est continue. La présence d'un stade larvaire ne détermine pas le mode de croissance (continue ou pas).

4) Deux représentations des étapes de la vie des êtres vivants

  • La représentation linéaire indique les étapes d'une vie de sa conception à sa mort.

Exemple du papillon :
Cellule-œuf --> développement embryonnaire et éclosion --> chenille --> développement larvaire --> nymphe --> développement nymphal --> papillon adulte.

Exemple de la souris :
Cellule-œuf --> développement embryonnaire --> embryon, souriceau --> naissance --> jeune souriceau --> développement juvénile --> souris adulte --> sénescence et mort.

  • La représentation cyclique indique le cycle de vie de l'espèce qui se perpétue.




Reproduction humaine et sexualité

I / Avant sa fécondation.

  • L'homme produit des millions de spermatozoïde dans ses testicules où ils sont stockés dans l'épididyme. Mélangé aux sécrétions des vésicules séminales (à côté de la vessie) et de la prostate (sous la vessie et les vésicules séminales), il devient du sperme. Lors de l'érection, le sperme peut être évacué via l'urètre s'il y a éjaculation.
  • Chez la femme, l'ovulation se déroule tous les 28 jours lors de l'expulsion d'un ovule d'un des deux ovaires. Cet ovule est propulsé dans la trompe de fallope en direction de l'utérus. Sa durée de vie est de 24h. S'il n'est pas fécondé durant ce laps de temps, il dégénère.


Les appareils reproducteurs masculin et féminin.
Source : Site de l'Académie de Poitiers

 


II/ De la fécondation à la nidation dans l'utérus.

Quelques heures après la fécondation, la cellule-oeuf va commencer à se diviser et devenir un embryon. Il va se diriger vers l'utérus où il va s'implanter. C'est alors le début d'une grossesse.

En cas de stérilité, des solutions existent mais ne sont pas des remèdes miracles. Les pourcentages de réussite des méthodes de procréation médiacalement assistée (PMA) doivent être connus par les parents et dépendent de l'âge de ces derniers.Il y a des traitements favorisant la fécondité ou encore un traitement qui consiste à prélever des ovules et spermatozoïdes des deux personnes souhaitant avoir un enfant et de les « obliger » à se rencontrer. Ils sont ensuite réinsérés dans l'utérus de la femme. C'est la FIVETTE (fécondation in vitro et transfert d'embryon). http://www.ac-creteil.fr/biotechnologies/doc_fivete.htm

III / Le développement et la croissance du futur bébé.

Durant les deux premiers mois, on parle de développement embryonnaire, puis de développement foetal. Les organes se développent peu à peu durant 9 mois.

IV / Les échanges placentaires.

L'embryon se développe dans une poche pleine de liquide appelé « amnios » situé dans l'utérus. Il est relié au placenta via le cordon ombilical.
Le placenta joue d'abord le rôle de "poumon" pour le fœtus qui ne peut assurer lui-même son approvisionnement en dioxygène. Il joue le rôle d'intestin, dans le sens où il contribue à l'apport de nutriments. Les aliments qu'ingèrent la mère sont mobilisés en partie pour l'alimentation foetale. Ces aliments contiennent des nutriments qui passent chez le fœtus. Le fœtus rejette des déchets qui passent dans la circulation de la mère via le cordon ombilical. C'est pourquoi fumer, boire, se droguer pendant la grossesse est fortement déconseillé, de même il est préférable que la mère est une alimentation plutôt saine, puisque ce qu'elle ingère est aussi transmis au foetus.


La croissance et le développement chez l'Homme

I / On retrouve les mêmes étapes que chez les autres êtres vivants.

La croissance et le développement embryonnaire dure 9 mois où se mettent en place les différents organes. Le système nerveux, le développement musculaire et osseux ne sont pas achevés. L'accroissement post-embryonnaire ou juvénile se déroule entre la naissance et la fin de l'adolescence. La croissance est continue mais pas régulière, avec notamment une poussée de croissance lors de la puberté. Durant l'adolescence, les garçons et les filles ont de profonds changements physiques et comportementaux.

II / Les caractéristiques du développement pubertaire.

Des changements se produisent dans les caractères physiques (développement musculaire chez les garçons, augmentation de la taille chez les garçons et filles et élargissement du bassin chez les filles par exemple), des caractères sexuels primaires (augmentation de la masse des testicules et agrandissement du pénis, première règles, augmentation de la masse des ovaires) et caractères sexuels secondaires (mue de la voix, développement des seins), ainsi que des modifications dans le comportement (personnalité).

III / Le développement de la denture.

Deux dentitions successives : tout d'abord les dents de lait à partir de 6 mois jusqu'à environ 3 ans. Les dents définitives sont déjà là à l'état de bourgeons et résorbent les racines des dents de lait qui tombent. Les dents de sagesse poussent à l'âge adulte, ce qui fera 32 dents.

IV / La croissance osseuse.

Le squelette du bébé est cartilagineux. Il s'ossifie avec le temps. Cela dépend de trois facteurs :

  • facteurs externes : alimentation, qualité du sommeil profond, etc.
  • facteurs internes : hormones de croissance.
  • facteurs génétiques héréditaires.


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THEME
Le cycle de vie des plantes à fleurs

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Instructions officielles (BOEN, 2008)

Les stades du développement d’un être vivant (végétal ou animal).
Les conditions de développement des végétaux et des animaux.
Les modes de reproduction des êtres vivants.

Corrélations programmes de l'enseignement secondaire (collège et lycée)

Classe de sixième
Classe de quatrième



Photographie : Tomas Cekanavicius, 2008


Echantillons récoltés par Pascal - IUFM d'Auxerre (BU, janvier 2012)


IUFM d'Auxerre (BU, janvier 2012)


TRAVAUX PRATIQUES
Etude de GALANTHUS NIVALIS
Master 2 - IUFM d'Auxerre - janvier 2012

Plante herbacée à bulbe de 15 à 25 cm de hauteur, elle appartient à la famille des Amaryllidaceae (voir formule florale) (ou Liliaceae). C'est une Angiosperme Monocotyledone.

Espèce bénéficiant d'un arrêté de protection dans certaines régions et départements (64 et 38), elle est à la fois toxique et médicinale. Le bulbe cru a des propriétés vomitives.

Galanthus woronii - a source for the treatment of Alzheimer’s disease.
Source : IUCN, june 2010

Galanthus nivalis est sur la liste rouge de l'IUCN : catégorie NT (= Quasi menacée (espèce proche du seuil des espèces menacées ou qui pourrait être menacée si des mesures de conservation spécifiques n'étaient pas prises) (Source : site INPN du Museum national d'histoire naturelle, novembre 2011)

  • Plante herbacée vivace et glabre (15-25 cm).
  • Bulbe gros, ovoïde.
  • Tige dressée, cylindrique.
  • Feuilles généralement par 2, glauques, linéaires, obtuses, carénées, plus courtes que la tige.
  • Fleur blanche hermaphrodite, solitaire et terminale, sortant d’une spathe arquée, membraneuse et plus longue que le pédoncule ; tépales blancs, les 3 internes marqués d’un croissant vert en dehors, striés de vert à l’extrémité en dedans, plus courts que les 3 externes, ovales et souvent un peu étalés ; étamines à filets très courts, à anthères dressées, lancéolées et acuminées.
  • Fruit : petite capsule trigone, verte, charnue et subglobuleuse.
  • Pollinisation : entomogame.
  • Dissémination : endozoochore.
  • Milieu de vie : Forêts, taillis, haies, broussailles, prairies, berges des rivières.
  • Floraison : Janvier-Mars
  • Altitude : 0-1 600 m
  • Assez rare : Ouest, Centre, Pyrénées ; rarement subspontané. – Eurasiatique tempéré.

Source : http://erick.dronnet.free.fr/belles_fleurs_de_france/galanthus_nivalis.htm

Galanthus signifie "Fleur de lait" et nivalis "des neiges".


Source : Futura-sciences.com



Dissection florale de Galanthus
Réalisée par une étudiante de M2
IUFM d'Auxerre (BU, janvier 2012)

 


Les plantes à fleurs font partie des végétaux verts, comme les algues vertes (voir classification du monde vivant, version Tavernier ou Lecointre).
Leurs caractéristiques c’est la présence d’un pigment que l’on appelle la chlorophylle, concentrée à l’intérieur des cellules dans des structures que l’on appelle des chloroplastes : elles permettent la fabrication de glucides (les sucres) par la plante en présence de lumière. Ce procédé de photosynthèse nécessite du dioxyde de carbone (CO2), de l’eau et des minéraux, et une température favorable à la réalisation de ce processus biochimique. On dit que les plantes vertes sont des autotrophes : elles se nourrissent à partir de substances minérales :


Production de dioxygène à la lumière par les feuilles d'élodée
en présence d'hydrogénocarbonate de sodium soluble (source de CO2).
Source : Université en ligne




Les plantes vertes, comme tous les êtres vivants, respirent, à la lumière et à l’obscurité. Mais, en présence de lumière, le dégagement de dioxygène domine l’absorption de dioxygène. Chez une jeune plante qui n’a pas encore de chlorophylle, et qui est donc hétérotrophe, on peut montrer facilement l’absorption de dioxygène par l’expérience ci-dessus.


Plants, DVD Life n°4
BBC Earth
, 2009

Rayonnement solaire, eau et croissance végétale
Education aux médias

Video sur la croissance des plantes dans une forêt, filmée en accéléré (discussion sur les techniques de réalisation, avantages et inconvénients biologiques et sensoriels : une impression d'animations fantastiques, à la Walt Disney). Des commentaires qui donnent l'impression d'une "conscience végétale" (récit médiatique anthropocentré).

Discussion sur les contrôles physico-chimiques de la croissance. Discussion des stratégies de survie en forêt tropicale (plantes grimpantes et plantes épiphytes) et en tourbière (plantes carnivores).

Vidéo : click to see the BBC video


Ce qui différencie les algues vertes des autre plantes vertes, c’est l'absence de tiges feuillées. Dans les plantes vertes à tiges feuillées, on distingue ensuite deux groupes : les mousses et les plantes à feuille nervurées (voir classification des plantes vertes ci-contre et ci-dessous).

Parmi les plantes qui produisent des graines dérivées de l'évolution de l'ovaire, on distingue celles dont les graines sont enfermées dans un fruit, appelées angiospermes (ou plantes à fleurs), et les gymnospermes qui développent des graines nues.

On constate que la reproduction des plantes à fleurs dépend sous nos climats tempérés, des saisons et plus particulièrement des conditions de température, de luminosité (photopériode) et de l’état de l’eau. Pendant l’hiver, les végétaux survivent avec différentes stratégies qui permettent de définir différents types biologiques :


Les types biologiques de la classification de Raunkier :
1-Phanérophyte, 2/3-Chaméphyte, 4-Hémicryptophyte, 5/6-Géophyte, 7-Hélophyte, 8/9-Hydrophyte.
© Sten Porse
  • Les plantes annuelles : tiges, feuilles et racines disparaissent et elles passent l’hiver sous forme de graines.
  • Les plantes vivaces : elles vivent plusieurs années, l’appareil tiges racines et parfois feuilles restent visibles pendant l’hiver.
  • Les plantes bisannuelles qui vivent deux ans. Parmi elles, certaines vont rester apparentes sous forme de rosette de feuilles, d'autres restent souterraines sous forme de rhizome, de tubercule (tige souterraine qui se gonfle de réserves), de racine souterraine ou de bulbe.



Cycle d'une plante à fleurs, exemple du petit pois

schéma de cycle de vie d’une plante à fleur

Rajouter les termes :
floraison, fructification, fruit, graine, dormance, plantule


Video Youtube, Mise en ligne le 18 sept. 2009
Time-lapse Phaseolus Runner Bean. Filmed by Neil Bromhall.

This sequence shows an example of hypogeal germination where the cotyledons remain underground and the epicotyl elongates, pushing the plumule upwards where it breaks through the soil.

 

1. La germination des graines


Peanut seeds cut in half showing the embryo
with cotyledons and primordial root.
Source : Cariño, Spain (2012)

Les graines contiennent :
- un embryon, composé de feuilles (ou gemmule), d'une tige (ou tigelle) et d'une radicelle.
- des réserves (1 ou 2 sacs de réserves d'appelés cotylédons).
- une peau que l’on appelle le tégument.

 

La graine est à l’état déshydratée, ce qui contribue à son état de dormance. Elle reste en vie ralentie pendant une ou plusieurs années en fonction des espèces et des conditions de milieu. la température et l’hydratation permettent d’activer toutes les réactions biochimiques d'utilisation des réserves. L'hydratation permet aussi le gonflement de la graine et l’éclatement des téguments. Chez certaines espèces, le tégument doit passer dans le tube digestif d’un animal pour permettre la germination.
La germination conduit à la croissance des racines. Puis la tige s’allonge et les deux premières feuilles apparaissent. Ce développement initial n’est possible que grâce à l'oxydation des réserves nutritives des cotylédons (hétérotrophie) et la photosynthèse (autotrophie) prend le relais lorsque les feuilles chlorophylliennes deviennent aériennes.

EXERCICE sur les conditions de la germination

2. La croissance de la jeune plante et son développement

Contrairement aux animaux, elle est indéfinie, réglée par l’alternance des saisons et le fonctionnement d'amas de cellules embryonnaires (les méristèmes), notamment à l'extrémité des tiges, des racines et dans les bourgeons. On peut dire que la croissance est discontinue chez les plantes vivaces. Au printemps, les bourgeons vont mettre en place des nouveaux rameaux et la croissance en longueur s’accompagne aussi d’une croissance en épaisseur, annuelle, grace à un méristème cylindrique. Les cernes d’un arbre reflètent cette croissance annuelle et discontinue des arbres puisqu’une nouvelle couche de bois s’ajoute chaque année.


Source : site VivelesSVT
Sandrine Esquirol-Paquerot
ACTIVITE : dissection d'un bourgeon et observation à la loupe binoculaire

3. La floraison

En fonction des conditions de milieu (température, photopériode, âge de l'individu,...), certains bourgeons vont se spécialiser dans la production de fleurs. Cette floraison correspond à la maturité sexuelle de la plante. En général, elle est synchronisée avec les saisons, en fonction de la température, de l’éclairement et des précipitations.

ACTIVITE : Dissection d'un bourgeon florale et d'une fleur de Lis (Lilium)


Observation microscopique des grains de pollen (grossissement x150)

Expérience de germination de grains de pollen
Le pollen de Lis, fraîchement disséminé, est mis à germer, in vitro, sur un milieu très facile à préparer (saccharose 10% dans l'eau + extrait de pistil). Après deux ou trois heures, de nombreux grains présentent un tube pollinique bien développé. On peut alors en prélever quelques-uns, et les observer au microscope.

Description de l'appareil végétatif : plante herbacée vivace, à bulbe écailleux, de la famille des Liliacées (Monocotylédons). Les fleurs apparaissent à l'extrémité d'une tige.

Observation des pièces florales. Il s'agit d"une fleur trimère : 3 sépales pétaloïdes et 3 pétales identiques et parfumés. Réalisation de coupes transversales de l'ovaire et des anthères.

Etablissement de la formule florale du Lis.

 

 

 

4. De la pollinisation à la fructification

La pollinisation est le processus qui conduit au dépôt des grains de pollen sur le stigmate de la fleur, par le vent ou les animaux, et plus récemment par l'Homme pour les espèces importantes pour l'agronome. A la suite de la pollinisation, le tube pollinique s’allonge à travers les tissus de pistil jusqu’à atteindre l’ovule contenu dans l’ovaire. Ce qui conduit le spermatozoïde vers la cellule reproductrice femelle contenue dans l’ovule de la fleur. Le tube se développe grâce à l’hydratation du pistil. Il véhicule donc les gamètes mâles jusqu’aux gamètes femelles contenues dans l’ovule.

Il y a chez les plantes à fleurs une double fécondation conduisant à la formation d’un embryon et d’un tissu de réserve. Suite à cette fécondation, l’ovaire va donner un fruit plus ou moins charnu, et l'ovule une graine contenant l'embryon.

Remarque : dans le langage courant, ce qu’on appelle fruits et légumes n’a pas le même sens qu’en botanique : le fruit est sucré alors que le légume ne l’est pas. En botanique, le fruit est le résultat du développement de l’ovaire et de l’ovule après fécondation. La tomate et le concombre sont donc des fruits. Par ailluers, la carotte n’est pas un légume, c’est une racine souterraine gorgée de réserves. Les botanistes appellent parfois légumes le fruit produit par les plantes de la famille des légumineuses (ou fabacées) comme le pois, le haricot, les fèves.....

 

ACTIVITE : TP sur le fruit d'une légumineuse


De la fleur au fruit
Exemple du Cerisier
(Famille des Rosacées, Genre : Prunus)

EXERCICE : Mendel a montré avec ses travaux sur la reproduction du pois que le pollen contenu dans les étamines est nécessaire à la fabrication de graines. Le sac papier autour du pistil empêche le vent ou les insectes de venir polliniser.

Remarque : La majorité des plantes développent des systèmes permettant la pollinisation croisée, qui évite l’autofécondation et favorise le brassage génétique.

EXERCICE : comparer le cycle de vie d’une plante à fleurs avec celui d’une mousse ou d’une fougère.

Un mode de reproduction sans intervention de la fleur : la multiplication végétative (ou reproduction asexuée)

On parle de multiplication végétative : les organes qui interviennent dans cette reproduction sont les tiges, racines et parfois feuilles, c'est-à-dire des organes de l’appareil végétatif.

A. Les processus « naturels »

On distingue 5 dispositifs de reproduction asexuée chez les plantes à fleurs qui leur permettent de coloniser rapidement le milieu dans lequel elles vivent. En utilisant :
1. Une tige aérienne spécialisée : le stolon (ex : fraisier)
2. Une tige souterraine spécialisée : le rhizome (ex : l'Iris)
3. Une tige souterraine qui contient des réserves : le tubercule (ex : pomme de terre)
4. Une racine souterraine spécialisée qui va produire des tiges: le drageon (ex : framboisier)
5. Une plante "miniature" souterraine : le bulbe

Dans ces organes, des mécanismes de dédifférenciation et de différenciation cellulaire sont à l'oeuvre. Depuis les années 80, cette reproduction peut se faire de manière industrielle grâce à la multiplication et la différenciation des cellules in vitro, sous contrôle hormonal.

B. Les processus artificiels

Ces processus utilisent la connaissance des mécanismes naturels pour optimiser en laboratoire la multiplication végétative à des fins commerciales et agronomiques (ex : un rosier peut donner 200 000 plantes en six mois). En France, l’INRA (Institut national recherche agronomique) expérimente et developpe ces procédés. Dans le milieu de culture, on utilise des hormones végétales qui permettent, à partir de fragments d'organe (fragment de tige par exemple), de différencier les tissus végétaux en tiges, feuilles et racines .


Source : document INRA

La culture du rosier en tube est passée des laboratoires de recherche au stade industriel en 1982. On prelève dans le bourgeon un fragment de végétal (1/10 mm). On le place dans un milieu de culture contenant des hormones végétales permettant la formation de bourgeons qui donneront une nouvelle plante En 6 mois, on peut obtenir 200.000 nouvelles plantes.

On peut aussi multiplier la plante artificiellement par bouturage, marcottage ou greffage. Dans le bouturage, on met une tige dans l’eau pour faire apparaitre des racines. Dans le marcottage, on enterre volontairement un fragment de tige de la plante-mère qui, au contact du sol, va développer des racines. Pour le greffage, on prélève un fragment de tige (greffon) d’un individu sélectionné (pour la qualité de ses fruits par exemple) que l’on fixe sur la tige d’un autre individu (porte-greffe) sélectionné pour d’autres particularités génétiques (résistance au froid ou aux parasites par exemple).

La méthode à la mousse et au sable
Source Chambre d'Agriculture de l'Hérault

Sciences and society

Le greffage de la vigne

Au printemps, en Champagne, l'assemblage du porte-greffe et du greffon se fait par la technique de la greffe anglaise, l'un et l'autre ayant préalablement été taillés en biseau à fentes susceptibles de s'emboîter et formant, une fois réunis, un ensemble d'une vingtaine de centimètres, longueur adaptée à des sols souvent peu profonds.Les greffons sont prélevés dans les vignes, le plus souvent en février avant la montée de la sève, sur des sarments choisis et marqués à la vendange parmi les plus fructifères.

A la fin du XIXè siècle, l'invasion du phylloxera avait obligé les Champenois, comme d'ailleurs les viticulteurs du monde entier, à greffer leurs vignes françaises, vitis vinifera, sur des porte-greffe américains susceptibles de résister au redoutable puceron.


Planche des différentes techniques et outils de greffage, tirée du Greffage pratique de la vigne (1890) de Victor Vermorel.
© Maison du Patrimoine, Villefranche-sur- Saône.

 

C'est sur les racines que l'insecte est redoutable en déterminant des renflements ou nodosités des radicelles et les tubérosités des racines. Celles-ci deviennent noires, se mortifient et se désagrégent à la fin de l'année. La vigne, privée de ses racines, ne tarde pas à mourir.

Pour la reconstitution des vignobles détruits par le phylloxera, on a recours au greffage des vignes françaises sur cépages américains. En vue de la bonne reprise des greffes, celles-ci sont préalablement, avant le passage en pépinières, mises en caisses garnies de mousse mélangée à du poussier de bois. Les caisses sont placées pour la stratification en chambres chaudes à la température de 20°.

BILAN : Il existe deux modalités de reproduction : sexuée et asexuée que nous allons comparer :

Reproduction sexuée
Reproduction asexuée
Modalités
gamètes, pollinsation, fécondation,
croissance et développement

Pas de gamètes donc pas de fécondation,
une plante mère donne des clones.

Avantages
Brassage génétique, moins de vulnérabilité en cas de changements du milieu.
pas de nécessité de rencontrer un partenaire.
conquête rapide du milieu
Inconvénients
lenteur du processus
vulnérable pour ceux dont la pollinisation dépend d’autres êtres vivants.
En cas de changements de condition du milieu ou maladie, vulnérabilité élevée de l'ensemble des clones.

La synthèse commentée de Philomène (juillet 2012)

La nutrition des végétaux chlorophylliens

I / Prélèvements et devenir des éléments nutritifs.

1) Synthèse et utilisation de la matière organique.

Les organes de la nutrition et leur fonction : Une plante possède un appareil végétatif et un appareil reproductif. Il est étudié ici l'appareil végétatif composé de racines, de tiges et de feuilles. Cette caractéristique est à l'origine du groupe des végétaux dans la classification du vivant, distinct des champignons et des algues. La première étape dans la nutrition de la plante est l'absorption d'eau et de sels minéraux par les poils absorbants à l'extrimité des racines. La plante absorbe aussi du CO2 et rejette de l'O2 et de l'H2O (évapotranspiration), qui sont des échanges gazeux. Ces échanges gazeux se font à la surface de la feuille, grace à l'existence d'orifices stomatiques. La circulation à l'intérieur de la plante se produit via les « vaisseaux de bois » pour la sève brute, et via les vaisseaux du liber pour la sève élaborée.

Les besoins des végétaux pour la fabrication de leur matière :
La photosynthèse c'est la synthèse par l'être vivant de matière organique en présence de lumière et de matière minérale (eau et CO2). Les chloroplastes sont des structures à l'intérieur des cellules qui permettent de convertir l'énergie lumineuse en énergie chimique. Les molécules organiques produites (le glucose essentiellement) contiennent l'énergie nécessaire à la plante pour sa respiration cellulaire, sa croissance et son développement. Le glucose est ainsi utilisé pour la fabrication de lipides. Conjugué à l'absorption de nitrates prélevés dans le sol, il permet également la fabrication de protides. La sève élaborée contient tous ces composés organiques synthétisés par la plante (le glucose, les lipides et les protides). Sa circulation permet d'en distribuer à toutes les parties de la plante, l'excédent pouvant être mis en réserve dans les tubercules, les bulbes, les graines selon les espèces.

2) Besoins selon les stades de développement.

Lors de la germinations, la plante est hétérotrophe : elle utilise de l'eau, des sels minéraux et de la matière organique en réserves pour produire son énergie. À l'apparition des premières feuilles vertes, elle devient autotrophe et absorbe de l'eau, des sels minéraux et du CO2.

II / La respiration cellulaire.

Comme pour tous les cellules vivantes, elle existe dans les cellules végétaux, avec des processus biochimiques identiques à ceux des animaux. Ces réactions biochimiques permettent à la plante de produire de l'énergie à partir de l'oxydation de molécules organiques ( le glucose est oxydé en présence de dioxygène (O2), ce qui génère du CO2).


Experiment to show how water travels in plants...
Source :Kerry Harrison, 2011 - Blog and articles : Plants need food


Source : Banque de schéma SVT de l'Académie de Dijon

Le développement et la croissance des plantes à fleurs

1) Une succession d'étapes communes.

  • Végétaux se développant à partir d'une graine : graine --> plantule --> jeune plante (développement des racines, de la tige puis des feuilles) --> plante adulte (développement des feuilles, fleurs, fruits et nouvelles graines) --> mort.
  • Végétaux se développant à partir d'un organe de réserve : organe de réserve (tubercule, bulbe, rhizome) --> bourgeon --> jeune plante (développement et croissance des racines, tiges puis feuilles) --> plante adulte (développement et croissance des racines, tiges, feuilles, fleurs, fruits, graines) --> reconstitution d'un nouvel organe de réserve --> mort de la partie aérienne.

2) De la graine à la plantule : la germination.

La germination débute par le développement de la radicule (première racine), puis le système racinaire se ramifie. La tige commence à sortir. La jeune plante devient alors à ce stade une plantule utilisant les réserves de la graine pour se développer (hétérotrophie). À l'apparition des premières feuilles, elle devient autotrophe, et fabrique sa propre matière organique (voir ci-dessus). La plantule possède des méristèmes (zones de multiplication et de différenciation cellulaire), un se situe au sommet de la tige et permet de développer la partie aérienne de la plante, un autre situé à l'extrémité de la racine est responsable du développement de la partie souterraine. Les méristèmes permettent donc la croissance de la plante et fonctionne durant toute la vie de l'individu. D'autres méristèmes se chargent de la croissance en épaisseur de la plante comme chez les arbres notamment.
Afin de germer, la plante a besoin d'eau, d'O2 et d'une température convenable à l'espèce. Les graines ne germent qu'après une période dite de dormance qui contribue au passage des saisons défavorables à l'activité biologique (résistance au gel ou à la sécheresse).

3) De la plantule à la plante développée.

La plante a une croissance discontinue ou continue (suivant les espèces et les climats) jusqu'à la mort de la plante. Cette croissance se traduit par un allongement des tiges et l'apparition de feuilles grâce aux bourgeons, par un accroissement en épaisseur (comme la coupe d'un tronc d'arbre, avec au printemps la fabrication de grosses cellules claires, et en été-automne la fabrication de petites cellules sombres), par l'allongement et la ramification des racine. Des fleurs et des fruits sont aussi produites.
Pour croître, une plante a besoin de lumière et de matière minérale (eau, CO2, ions) pour la photosynthèse de matières organiques (glucides et hormones de croissance par exemple) et la respiration cellulaire (qui se produit en continue). Photosynthèse et respiration nécessitent une température convenable.

IV / Cycle de développement et cycle saisonnier.

? Chez les plantes et les animaux, le cycle de développement, qui va de la cellule-œuf à l'état adulte, a des durées variables. Il peut être en lien ou non avec le cycle saisonnier. Cycle de reproduction et cycle saisonnier sont donc différents. Luminosité et température saisonnières peuvent avoir des effets sur la reproduction et sur le cycle de développement de l'espèce.

À l'âge adulte, la reproduction peut avoir lieu :

  • une seule fois pour les espèces à durée de vie courte, ou pour les plantes annuelles (haricot) ;
  • chaque année quand la reproduction est liée au cycle saisonnier, comme chez les plantes vivaces (tulipe), les arbres (noisetier), les animaux (cervidés...) ;
  • plusieurs fois au cours de l'année, cette reproduction est limitée par le temps de gestation de la femelle et sa période de fécondation (poule).

Exemple du cycle de vie du haricot :


source : site "Jardinons à l'école"
Groupement national interprofessionnel des semences et plants (GNIS)



La reproduction sexuée des plantes à fleurs

1) Qu'est-ce qu'une plante à fleurs ?

On qualifie de plantes à fleurs, tous végétaux produisant des fleurs, comme la tulipe, le maïs, le cerisier, le sapin. La fleur porte les organes sexuels de la plante.

Le sapin qui ne produit pas de fruit, mais des graines nues, contrairement à ceux précédemment cités, est pourtant une plante à fleur. Le fait de ne pas produire de fruit n'exclue pas la possibilité d'être une plante à fleur. Enfin les végétaux comme les algues, mousses, fougères ne sont pas des plantes à fleurs puisqu'elles n'en font pas.

Tous les végétaux produisant des fleurs, produisent des graines. Ainsi dans le cas d'une plante à fleur produisant des fruits, les graines sont contenues dans le fruit issu du développement de l'ovaire; l'ovule, enfermé dans un ovaire, devient la graine. ce sont des angiospermes (de « angio » grec, enveloppe).
Dans le cas d'une plante à fleur ne produisant pas de fruits, comme le sapin et tous les conifères, l'ovule est à nu (c'est à dire non enfermé dans un ovaire). Ces plantes sontr des gymnospermes (de « gymnos » grec, nu).

La graine chez les angiospermes est le produit de la double fécondation, point de départ d'un nouvel être vivant. Le fruit, produit seulement par les angiospermes, est issu du développement de l'ovaire après la double fécondation. Il contient les graines. Chez les gymnosperme la graine est le produit de la fécondation de l'ovule nu (il n'y a pas d'ovaire).

II / De la fleur au fruit.

Dans une fleurs, les étamines sont les organes mâles et le pistil l'organe femelle. Chaque étamine comprend un filet avec à son extrémité une anthère contenant les grains de pollens. Le pistil comporte un stigmate qui « détecte » les grains de pollens de la même espèce que sa fleur. Ce stigmate est supporté par le style à la base duquel se trouve l'ovaire contenant lui-même l'ovule chez les angiospermes.
Quand la fleur fane, et si l'ovule a été fécondé, l'ovaire devient alors un fruit et l'ovule une graine (chez les angiospermes, car chez les gymnospermes, l'ovule est nu). Peu à peu, étamines, sépales, pétales tombent laissant place au fruit, issu du développement de l'ovaire et contenant la ou les graines.

II / Des gamètes à la graine.

Pour qu'il y ait un fruit, il faut une pollinisation et une fécondation.

  1. La pollinisation

C'est le contact entre le pollen produit dans les étamines, et le stigmate du pistil de la même espèce de fleur, permettant alors le rapprochement des gamètes (cellules sexuelles). On distingue différents agents pollinisateurs, comme le vent, les insectes,.... Il y a deux types de pollinisation : la pollinisation directe et la pollinisation croisée. Certaines plantes ont les deux types comme la tulipe.
Pollinisation directe (ou auto-pollinisation): elle ne peut se réaliser que sur une fleur dite hermaphrodite, c'est-à-dire qu'elle contient à la fois les organes mâles et les organes femelles (étamines et pistil), à condition que ces deux organes arrivent à maturité en même temps. Avec ces deux conditions réunies, l'autopollinisation est possible.
Pollinisation croisée : parfois les fleurs hermaphrodites de certaines espèves ne peuvent pas s'autoféconder, à cause de 3 facteurs limitants : 1. les organes mâles et femelles n'arrivent pas à maturité en même temps; 2. il y a une incompatibilité génétique entre les organes d'une même fleur, ou 3. la disposition des étamines empêche la pollinisation du stigmate de la fleur. Dans ces cas-là, le pollen doit être transporter sur une fleur d'un autre plant de la même espèce pour qu'il y ait fécondation.

Pour une fleur qui n'est pas hermaphrodite et qui est donc sexuée (fleur mâle ou fleur femelle), l'autofécondation est bien entendu impossible.

  • Pour les plantes monoïques (fleurs mâles et fleurs femelles sont portées par le même plant (maïs)), la fécondation croisée est possible entre fleurs du sexe opposé du même plant.
  • Pour les plantes « dioïques » (fleurs mâles et fleurs femelles ne sont pas portées par le même plant (kiwi)), la fécondation ne peut se faire qu'avec des fleurs de sexe opposé et n'étant pas du même plant.
  1. La fécondation
Après la pollinisation, la fécondation se déroule en plusieurs étapes. Chez les Angiospermes, on parle de double fécondation. Après la pollinisation, le pollen émet un tube pollinique et pénètre dans le style, puis l'ovaire et son ovule. Le tube contient deux gamètes mâles (spermatozoïdes) qui sont deux noyaux qui se différencient.
Une des deux gamètes mâle féconde l'ovule en fusionnant avec la gamète femelle (ou ovule). Une cellule-œuf se forme et va développer par la suite un embryon. La deuxième gamète mâle féconde deux noyaux de cet ovule formant une deuxième cellule-œuf qui formera le tissu de « réserve » de la graine. L'embryon et les réserves, ainsi que l'enveloppe autour de la graine (les téguments), de l'ovule forme la graine. Chez les angiospermes, l'ovaire devient alors un fruit.
  1. Différents types de fruits

Les fruits contiennent 3 parties issues du développement de l'ovaire : l'épicarpe, le mésocarpe et l'endocarpe. Selon les espèces, ces parties se développent différemment. Si le mesocarpe est plein de réserves, il donne un fruit charnu, sinon un fruit sec.
Chez les fruits charnus, si l'endocarpe se durcit, on a un fruit avec noyau, sinon un fruit avec pépins.
Chez les fruits secs, si le fruit s'ouvre à maturité, il laisse échapper des graines (haricot), sinon il les conserve (ce sont des akènes, comme les graines disposées à la surface d'une fraise par exemple.)
Les vrais fruits sont issus de l'ovaire; si le fruit est issu d'une autre partie de la fleur, on parle de faux-fruit. Ainsi les akènes de la fraise sont des vrais fruits, tandis que la fraise elle-même est un faux, car il résulte du développement par hypertrophie du réceptable de la fleur.

  1. La dissémination des graines et des fruits

Elle peut se faire de diverses façons (tout comme la pollinisation) : par le vent, les eaux de ruissellement, par le plumage ou le pelage des animaux (crochets en surface de certains fruits), par le rejet d'excréments d'oiseaux mangeurs de baies.


Source : Les sciences à l'école, Académie de Bordeaux

 


Source : Site BIOWEB, cours de biologie en ligne

Chez les végétaux, la gamétogenèse est différente selon [...] l'organe de la fleur qui produit le gamète.

  • Si elle se produit dans les anthères des étamines, il s'agira alors de gamétogenèse mâle [...]. Le gamète mâle résultant de cette gamétogenèse sera alors le noyau spermatique contenu dans le grain de pollen (gamétophyte mâle).
  • Si la gamétogenèse a lieu dans un ovule de la plante [...], il s'agira alors de gamétogenèse femelle [...]. Le gamète femelle résultant de cette gamétogenèse sera l'oosphère contenu dans sac embryonnaire (gamétophyte femelle).


Source : Site BIOWEB, cours de biologie en ligne

 

ANIMATION Flash

LA DOUBLE FECONDATION CHEZ LES ANGIOSPERMES

Source : Site Biologieenflash.net de Claude Perrin

 

La reproduction asexuée (ou multiplication végétative) des plantes à fleurs

Les plantes peuvent se reproduire de manière asexuée sans utilisation des organes sexués de la fleur. Il s'agit de la reproduction asexuée ou de la multiplication végétative. C'est une forme de clonage naturel puisque les nouveaux individus sont génétiquement identiques à la "plante mère". Cette reproduction asexuée existe à l'état naturel, et se fait à partir d'un fragment de l'individu initial :

  • À partir de racines.
  • À partir de tiges aériennes (stolons) qui, dès qu'elles touchent le sol, s'enracinent et donne un nouveau plant.
  • À partir de tiges souteraines renflées (tubercules de la pomme de terre). La plante qui va naître du tubercule va avoir des racines au bout desquelles de nouveau tubercules identiques aux premiers apparaitront.
  • À partir de tiges souterraines rampantes (rhizomes), à l'origine notamment de tubercules.
  • À partir de bulbes. Le bulbe se développe en plante aérienne qui va fabriquer de la matière dans un ou plusieurs autre(s) bourgeon(s) bulbeux qui seront un ou des bulbe(s) de remplacement.

Cette reproduction asexuée existe à l'état artificiel. Les agronomes parlent de :

  • Bouturage : se pratique en ôtant une partie de la plante d'origine (tige, rameau, feuille), à l'enterrer afin de donner une nouvelle plante.
  • Marcottage : cela consiste à enterrer une tige restant en liaison avec la plante mère. Une fois l'apparition de nouvelles racines, on peut séparer la plante mère et la nouvelle plante.
  • Eclatage : cela se fait en fragmentant une plante (comme des rhizomes ou des tubercules), et en les replantant en terre. Ces fragments donneront de nouvelles plantes.
  • Greffage : c'est un bouturage particulier où le greffon est placé sur un autre végétal appelé porte-greffe.


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THEME
Biodiversité : Les êtres vivants dans leur environnement

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Instructions officielles (BOEN, 2008)

L’adaptation des êtres vivants aux conditions du milieu.
Places et rôles des êtres vivants ; notions de chaînes et de réseaux alimentaires.
L’évolution d’un environnement géré par l’Homme : la forêt ; importance de la biodiversité

Corrélations programmes de l'enseignement secondaire (collège et lycée)

Classe de sixième, de cinquième
Classe de quatrième

Définition : Un écosystème est un ensemble d'êtres vivants (biocènose) dans un biotope (1935). Il y a des relations entre biotope et biocènose et des évolutions conjointes, à différentes échelles de temps et d'espace.

1. La composition d'une biocénose et son fonctionnement

A travers la complexité des relations que les êtres vivants entretiennenet entre eux. Des relations trophiques sous forme de réseaux, avec trois catégories d'acteurs : autotrophe (producteurs primaires), les consommateurs (hétérotrohes, qui sont aussi des producteurs) et les décomposeurs (ou saprophages) qui se nourissent des cadavres et déjections organiques. Ils contribuent alors à minéraliser la matière organique en C,N, P et à son recyclage !

EXERCIE ET TP : Réseaux trophiques de l'étang - Voir aussi Réseaux trophiques du SOL (classe de seconde)
D'après le fascicule Vie aquatique et Plancton
Michelot A. et Bertet M. (1997). A la découverte de la Mare, BTI n°430, oct. 1997, p.2-21
Deom P. Special-Mare. Journal La Hulotte des Ardennes, n°21, 1990, 40 pages.
Tavernie R. (2002). La découverte du monde vivant. ed. Bordas, p. 209 à 403.

Rappel sur la place des mares communales au XIXè siècle dans les villages, autour des fermes, pour l'abreuvage des animaux et comme réserves d'eau pour le nettoyage et en cas d'incendie. Leurs fonctions écologiques : retenue des eaux de pluies et évidtement des inondations (p.21).

Milieu de vie aquatique différente de l'eau vive, ce qui influence les conditions physico-chimiques de vie dans les mares, marécages, marais, étangs, ou lacs. Dans les mares, c'est l'eau de pluie et de ruissellement qui s'accumule. Elle ne s'infiltre pas pour des raisons d'étanchéité du sol en relation avec sa composition minéralogique et elle ne s'évapore pas complétement pour des raisons d'alimentation. L'absence de turbulence entraine une sédimentation de résidus divers et la formation de vase dans laquelle vivent des organismes. La quantité de dioxygène dans le milieu diminue avec la profondeur.


Un écosystème en évolution, depuis un trou d'eau de ruisselement (donc une eau minéralisée), avec colonisation progressive par les airs et par les sols. La matière organique en décomposition essentiellement sous l'action des bactéries et de larves de chironome (les décomposeurs) , et la minéralisation qui en résulte fournit aux végétaux des substances nutritives pour leur développement et leur croissance par production de matière organique (les producteurs). Certains végétaux peuvent flotter, avoir leurs racines fixées dans la vase (Renoncule, Nénuphars, ou potamots) ou des racines minuscules sans contact avec le sol (lentilles d'eau, voir son mode de colonisation rapide et indice biotique associé). D'autres sont complètement immergées comme le Myriophylle. En observant l'appareil foliaire des végétaux supérieurs, il est possible d'identifier les adaptations structurales des feuilles aériennes, flottantes ou immergées. Les algues microspcopiques se développent dans la mare, comme la filamenteuse Spirogyre. En fonction des saisons, et de la hauteur et de la quantité d'eau, des pentes de la mare, les ceintures végétales sont plus ou moins importantes et diversifiées, en relation également avec leurs besoins en eau : les Carex, les Joncs, les Massettes, les Phragmites, les Iris ou les Renoncules (voir page 5, BTI n°430, oct. 1997).
Les bactéries, hétérotrophes, consomment donc le dioxygène dissous dans l'eau mais lorsque le milieu est trop riche en matière organique, la décompostion devient difficile et il y a risque d'asphyxie du milieu ! Lentement la mare se comble alors et les etres vivants finissent par disparaitre par eutrophisation naturelle ou accélée par les actvités humaines. L'entretien d'une mare (en enlevant régulièrement les débris végétaux et en partie la vase) permet de ralentir ou d'enrayer le phénomène.

Les producteurs nourissent les hétérotrophes herbivores comme la Daphnie, le Cyclops, l'Hydrophile adulte, la Limnée, la Planorbe, le Ver de vase (c'est une larve d'Insecte) ou les tétards (consommateurs primaires). Les hétérotrophes carnivores comme le Nèpe, Ranatre, le Gerris (ou Araignée d'eau), Notonecte, Naucore, le Dytique, la larve de Libellule (avec son masque dépliable) ou encore la Grenouille, le Triton et même le Héron, des passereaux, des poules deau, mais aussi des Couleuvres ou des Rats..., constituent des consommateurs secondaires (des prédateurs).

Adaptations à la locomotion : dans l'eau ou à l'interface eau-air, avec des modes de déplacement variés... Les glisseurs de surface (Gerris, Gyrins (ou Tourniquet), Hydromètre), des nageurs (Dytique, Grenouille, Tritons), des marcheurs (larves de Libellules), des rampants (Gastéropodes) et des sédentaires (Ver de vase c'est à dire la larve de Chironome), avec des structures adaptaées (nage en brasse ou à réaction par exemple).

Les stratégies diverses pour assurer la respiration : Branchies internes ou externes, pour récuperer le dioxygène dissous dans l'eau (êtres vivants à respiration aquatique), des trachéobranchies chez les larves d'Insecte ou remonte à la surface, avec un tube respiratoire comme pour les larves de moustiques, de Nèpe ou de Ranâtre ou encore en faisant une réserve d'air comme le Dytique adulte, le Notonecte, la Limnée, la Planorbe ou l'Argyronète (êtres vivants à resporation aérienne).

Noter les variations de mode de locomotion, de respiration et de régime alimentaire entre les larves et les adultes....

La reproduction et le développement des êtres vivants de la mare et les adaptations aux variations saisonnières de milieu : Milieu hydraté, riche en substances nutritives, mais avec des variations de température et de luminosité saisonnière, à l'origine d'adaptation pour la survie des espèces animales et végétales et le passage de la mauvaise saison (graine, larve ou hibernation). Les exemples étudiés permettent ainsi de montrer l'existence de développement direct ou indirect (Amphibiens comme la Grenouille, ou Insectes comme la Libellule, Dytique) chez les espèces présentes. Noter les pontes de la Nèpe et de la Ranatre dans les tiges et les feuilles des végétaux ou encore celles du Moustique, à la surface de l'eau. Stratégies pour l'élimintation des moustiques !

Des êtres vivants microscopiques : intéret pour l'écosystème.... et la détermination de la qualité de l'eau (indice biotique) !
Plancton d'eau douce, examiné sans coloration particulière, constitue une biomasse considérable. Les groupes représentés : Protozoaires (comme les Paramécies), Protophytes comme les Diatomées, et Crustacés (comme les Aselles (ou cloportes d'eau douce), Copépodes ou encore les Gammares (ou crevettes d'eau douce), les Cyclops, les Daphnies, à développement larvaire, qui nourissent de nombreux Poissons (voir dissection et étude des stries d'écailles pour détermination de l'âge)). Cycle de développement et locomotion du Cyclope ou des Daphnies (ou puces d'eau produisant des oeufs parthénogénétiques). Les algues filamenteuses comme Spirogyres.

EXERCICE: construire le réseau trophique du sol, à partir des informations sur le régime alimentaire des neuf êtres vivants du sol.
Remarque sur le dispositif d'extraction des êtres vivants du sol : le Berlèse, et son principe physique. Schématisation. et mise en évidence de la dépendance aux autotrophes.


Le cycle du carbone dans le sol d'une forêt :
ce cycle est sous l'influence de facteurs abiotiques et sa vitesse est variable.
Notez les conditions de piégeage de la matière organique et de fossilisation
(processus lents et conditions exceptionnelles)


Remarques :

  1. D'autres relations trophiques (interspécifiques, de compétition, de coopération ou d'exploitation) que la prédation existent entre les êtres vivants d'un écosystème : parasitisme (cochenille), symbiose (lichen). On note ainsi des relations d'explotation, de compétition ou de coopération en rapport ou non avec la reproduction des espèces d'un écosystème (pollinisation croisée, ponte, dissémination des graines et de l'espèce) ou encore la protection, le transport.
  2. Un réseau alimentaire n'est pas figée : les régimes alimentaires sont variables en fonction de l'âge, des saisons, de l'abondance relative d'une espèce alimentaire, et l'animal montre des gouts éclectiques (exemple de la Fable de La Fontaine) :

Le Héron, Fable de Jean de La Fontaine
(Recueil 2, Livre 7, Fable 5)

Un jour, sur ses longs pieds, allait, je ne sais où,
Le Héron au long bec emmanché d'un long cou.
Il côtoyait une rivière.
L'onde était transparente ainsi qu'aux plus beaux jours ;
Ma commère la Carpe y faisait mille tours,
Avec le Brochet son compère.
Le Héron en eût fait aisément son profit :
Tous approchaient du bord ; l'oiseau n'avait qu'à prendre
Mais il crut mieux faire d'attendre
Qu'il eût un peu plus d'appétit :
Il vivait de régime et mangeait à ses heures.
Après quelques moments, l'appétit vint : l'Oiseau,
S'approchant du bord, vit sur l'eau
Des tanches qui sortaient du fond de ces demeures.
Le mets ne lui plut pas ; il s'attendait à mieux,
Et montrait un goût dédaigneux,
Comme le Rat du bon Horace.
« Moi des tanches ! dit-il ; moi, Héron, que je fasse
Une si pauvre chère ? Et pour qui me prend-on ? »
La tanche rebutée, il trouva du goujon.
« Du goujon ! c'est bien là le dîner d'un Héron !
J'ouvrirais pour si peu le bec !aux Dieux ne plaise ! »
Il l'ouvrit pour bien moins : tout alla de façon
Qu'il ne vit plus aucun poisson.
La faim le prit : il fut tout heureux et tout aise
De rencontrer un limaçon.

Ne soyons pas si difficiles :
Les plus accommodants, ce sont les plus habiles :
On hasarde de perdre en voulant trop gagner.
Gardez-vous de rien dédaigner ;
Surtout quand vous avez à peu près votre compte.


2. Etude quantitative d'une biocénose : notion de flux et de cycle dematière et d'énergie

Pour comparer les écosystèmes entre eux, il est possible de faire des estimations de quantité de matière organique produite de la biocénose en kg par hectare, dans un biotope donné : c'est la biomasse de l'écosystème qui se repartit entre producteurs primaires, consomateurs et décomposeurs. On constate qu'il y a des pertes de matières de 10% en moyenne entre chaque niveau de la pyramide (exemple de la prairie ou de la forêt). Ces pertes correspondent à de la matière organique non assimilée, rejetée dans les excréments, ou utilisée pour produire de l'énergie nécessaire au mouvements, à l'entretien des cellules de l'organisme et perdue sous forme de chaleur.

Exemple de la Belette qui utilise 1% de la matière ingérée pour se construire (MO produite), 10% est excrétée (NA) et 89% est utilisée par la respiration (R).

Pour faire des comparaisons entre les écosystèmes, en fonction des variations de climat, de sols, de température, de latiitudes (max à l'équateur), on définit la productivité de l'écosystème, en kg/ha/an.
Cette productivité dépend des espèces présentes mais également des conditions de milieu (facteurs abiotiques) comme la pluviosité, la luminosité par exemple ou encore la température du milieu, sa richesse en CO2. Cette productivité reflète l'existence de relations trophiques et de cycle de matière (C, N, P, H, O...). Il y a là aussi une pyramide de productivité.


Cycle biogéochimique du carbone


NATURE MORTE VIVANTE DE FRUITS AVEC SOURIS
Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme
Réalisation : le photographe Stéphane SOULIE

Vidéo haute définition en couleur, muette, durée : 1’35 en boucle
Réalisé de septembre 2011 à février 2012 • 148 jours (4751 photos)

NATURE MORTE VIVANTE DE LÉGUMES AVEC CHRYSALIDE
Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme
Réalisation : le photographe Stéphane SOULIE

Vidéo haute définition en couleur, muette, durée : 1’35 en boucle
Réalisé d'avril à août 2011 • 119 jours (3765 photos)

 

3. Flux d'énergie dans un écosystème

Ces flux de matière sont liés à des réactions biochimique, qui nécessite de l'énergie (la photosynthèse) ou en nécessite (la respiration). La matière organique contient cette énergie, dans les liaisons CHO, et il est possible d'estimer les quantités d'énergie et donc les flux d'énergie dans un écosystème, liées donc à la production de matière (P1, P2, P3) et à la respiration (R1, R2, R3, et R4 des décomposeurs) et à l'existence de matière non assimilée. Une partie de la matière est également non ingérée :

Exemple de la Foret : il y a donc aussi une pyramide des énergies.

Conclusion

Cette biodiversité d'un écosystème est sensible à tout évolution du milieu, naturelle ou anthropique : en cas d'engrais (champ), de déforestation, d'agriculture sélective, évolution de la biodiversité et du cycle du carbone. A l'échelle humaine, c'est perceptible avec la quantité de carbone dans l'atmosphère qui évolue depuis 8000 ans, début de l'anthropocène et de l'agriculture (rhiziculture). A l'échelle des millions d'années, les écosystèmes évoluent en fonction des changements de biotopes lents (cycle des plaques tectoniques, variations du niveau marin et de la température globale, et écosystèmes cotiers) mais aussi de phénomènes catastrophiques (éruptions volcaniques, météorites). A l'échelle des milliards d'années, avec l'apparition des plantes terrestres et leur fossilisation, piégeage du C02 et vairation de la compostion atmosphérique.


Maja squinado

On parle d'adaptation aux facteurs de milieu, qui permet à l'individu de réaliser toutes ses fonctions, pour assurer sa survie et celle de son espèce. Il y a des adaptations structurelles, physiologiques et/ou comportementales des êtres vivants d'un écosystème. Les courbes de tolérance soulignent cette adaptation. Shelford a défini la loi de préférence et de tolérance d'une espèce en fonction des facteurs abiotiques (valeur optimale, écart de tolérance).

Les espèces sont nécessairement adaptées à leur écosystème, et elles le modifient. Mais elles peuvent évoluer, certes par la reproduction sexuée de générations en générations (recombinaison génétique) mais aussi par sélection naturelle. Ce sont les lois de l'évolution des espèces et des écosystèmes.

EXERCICE : Les pinsons des îles Galapagos (site Planet-Terre, ENS Lyon)

D'après P.R. Grant, B.R. Grant (2002). Unpredictable evolution in a 30-year study of Darwin's finches. Science 296 (5568) : 707-711.

EXERCICE
La plasticité comportementale des espèces d'un écosystème

Info sciences sur France Info (31 mai 2012)
La planète se réchauffe, les mergules nains s'adaptent...

Une équipe internationale menée par David Grémillet, chercheur au CNRS au Centre d'écologie fonctionnelle et évolutive à Montpellier vient de mettre en évidence que les mergules nains, les oiseaux marins les plus abondants de l'Arctique, adaptent leur comportement de pêche en fonction du réchauffement actuel des eaux de surface en mer du Groenland.

Communiqué de presse du CNRS (15 mai 2012)
En Arctique, les oiseaux marins s'adaptent aux changements climatiques actuels


Deux mergules face au soleil de minuit, Groenland Est.
© David Grémillet.

France Info (31 mai 2012): Cinq équipes internationales de chercheurs collaborent pour mettre en évidence une corrélation entre le réchauffement de la mer du Groenland et le succès reproductif du mergule nain, espèce intimement adaptée à cet environnement extrême. [...] les chercheurs ont étudié, sur trois ans, trois colonies de mergules nains, de petits oiseaux pesant à peine 150 grammes (très abondants en Arctique), situées de part et d'autre de la mer du Groenland, afin de voir comment ils s'adaptent aux modifications des écosystèmes dont ils dépendent. Les chercheurs ont constaté que de manière surprenante, les oiseaux parviennent à compenser le réchauffement actuel des eaux de surface en mer du Groenland en modifiant leur régime alimentaire et en allongeant la durée de leurs voyages alimentaires en mer. Ils partent plus loin et plus longtemps pour s'alimenter dans des zones où la pêche sera plus fructueuse.

CNRS (15 mai 2012): La planète se réchauffe, particulièrement au niveau des pôles. Comment les organismes réagissent-ils face à cette hausse des températures ? Une équipe internationale 1 menée par un chercheur CNRS du Centre d'écologie fonctionnelle et évolutive 2 vient de mettre en évidence que les mergules nains, les oiseaux marins les plus abondants de l'Arctique, adaptent leur comportement de pêche en fonction du réchauffement actuel des eaux de surface en mer du Groenland. Leurs taux de reproduction et de survie ne sont pour l'instant pas affectés. Un réchauffement plus important pourrait néanmoins menacer cette espèce. Ces travaux sont publiés le 21 mai 2012 dans la revue Marine Ecology Progress Series. Ils ont notamment bénéficié des soutiens de l'Institut polaire français (IPEV) et d'un programme américano-norvégien.

Marine Ecology Progress Series (21 mai 2012): ABSTRACT: Climate models predict a multi-degree warming of the North Atlantic in the 21st century. A research priority is to understand the effect of such changes upon marine organisms. With 40 to 80 million individuals, planktivorous little auks Alle alle are an essential component of pelagic food webs in this region that is potentially highly susceptible to climatic effects. Using an integrative study of their behaviour, physiology and fitness at 3 study sites, we evaluated the effect of ocean warming on little auks across the Greenland Sea in 2005 to 2007. Contrary to our hypothesis, the birds responded to a wide range of sea surface temperatures via plasticity of their foraging behaviour, allowing them to maintain their fitness levels. Predicted effects of climate change are significantly attenuated by such plasticity, confounding attempts to forecast future effects of climate change using envelope models.
Marine Ecology Progress Series (21 mai 2012). D. Grémillet, J. Welcker, N.J. Karnovsky, W. Walkusz, M.E. Hall, J. Fort, Z.W. Brown, J.R. Speakman & A.M.A. Harding (2012). Little auks buffer the impact of current Arctic climate change. Marine Ecology Progress Series. 21 mai 2012.

La synthèse commentée de Philomène (juillet 2012)

Le milieu est l'endroit où vivent les êtres vivants, terrestres, aériens ou aquatiques. Les êtres vivants sont adaptés à leur milieu de vie où ils y trouvent abri et nourriture. Leur milieu est en constante évolution à différentes échelles de temps (jour, saison, milliers ou millions d'années, aménagements anthropiques, changements environnementaux, etc.)
L'écosystème comprend un biotope et une biocénose. Le biotope correspond au milieu défini par ses caractérisitiques physico-chimiques (sol, eau, air, lumière, température, etc.) ; la biocénose désigne les êtres vivants de ce milieu (la faune et la flore). Il existe des relations biologiques entre les êtres vivants (territoire, alimentation, reproduction) et des relations abiotiques entre les êtres vivants et le milieu, en fonction des variations de température, de la quantité d'eau, etc.

I/ Des relations alimentaires

1) Le régime alimentaire des animaux.

En fonctrion des aliments consommés par l'animal, on distingue différents régimes alimentaires :

  • Régime végétarien s'il ne se nourrit que de végétaux (vache, antilope).
  • Régime carnivore s'ils ne se nourrissent que d'autres animaux (félins, canidés).
  • Régime omnivore s'ils mangent des végétaux et des animaux (homme, raton-laveur).

Certains animaux changent de régime alimentaire selon les saisons (renard), d'autres ont un régime très strict, comme le ver à soie qui ne mange que des feuilles de mûrier.

2) La "chaîne alimentaire".

La chaîne alimentaire se caractérise par les relations qu'ont les êtres vivants entre eux. Les animaux sont reliés entre eux et mangent celui qui le précède. Cette notion est simpliste puisqu'il fadurait parler en toure rigueur de réseau alimentaire.

EX : feuille [est mangé par] chenille [est mangé par] mésange.
Gland [est mangé par] geai [est mangé par]
vautour.
On remarque qu'à l'origine d'un réseau trophique, on retrouve les végétaux, consommés par les animaux végétariens, consommés à leur tour par des prédateurs carnivores et omnivores.

3) Différents niveaux de producteurs de matière organique.

  1. Les producteurs primaires : les végétaux chlorophylliens sont autotrophes. La photosynthèse leur permet de faire la synthèse de leur matière organique et font la synthèse du glucose à partir d'eau et de CO2 et en présence de lumière. Ils sont les premiers producteurs de matière organique dans un réseau trophique (dans l'univers marin, le producteur est le phytoplancton).
  2. Les consommateurs consomment d'autres êtres vivants. Ils sont hétérotrophes puisqu'ils se nourrissent d'autres êtres vivants. On parlera de consommateur primaire, secondaire, tertiaire, etc. selon le niveau qu'on lui attribue dans la "chaîne alimentaire". Un être vivant est consommateur est également un producteur. Ainsi la chenille est un consommateur primaire puisque végétarien mais un producteur secondaire. En effet, les mésanges mangent des chenilles. Les mésanges sont ainsi des consommateurs secondaires et des producteurs tertiaires dans cette chaîne alimentaire.
  3. Les décomposeurs ont la particularité d'utiliser la matière organique morte (végétaux, cadavres ou excréments) pour construire leur matière organique. Ils sont hétérotrophes. Certains sont visibles, comme les vers et champignons, et détritivores car ils décomposent la matière organique ; d'autres invisibles comme les bactéries et champignons microscopiques. Les décomposeurs transforment la matière organique en matière minérale.

4) Un flux continu de matière et d'énergie.

Quand un geai mange une chenille, une partie seulement de cette chenille sert à construire de la matière organique du geai. Le reste est utilisé pour fournir de l'énergie (pour respirer par exemple) ou encore est rejeté sous forme de déchets et de gaz respiratoires (CO2). Il faudra donc beaucoup de chenille pour un geai. Le rendement est dit « mauvais ». C'est pourquoi les "chaines alimentaires" sont parfois représentées sous formes de pyramides.

5) Quelques relations particulières.

Il existe d'autres types de relations trophiques entre les êtres vivants, différentes de celles entre une proie et son prédateur. Par exemple la relation hôte-parasite. Le parasitisme caractérise un animal ou végétal qui vit (en se nourrissant, en s'abritant ou en se reproduisant) aux dépens d'un autre. Parfois cette relation est peu grave, parfois elle peut entraîner jusqu'à la mort (champignons sur un arbre, puces sur un animal, plasmodium responsable du paludisme (mort)).

Autre exemple : la symbiose lorsque deux êtres vivants ont une relation durable avec un bénéfice pour les deux.
Exemples : Le lichen, association entre une algue unicellulaire et un champignon : les bactéries de l'intestin humain (exemple d'Escherichia coli) qui favorisent la digestion, la régulation du système immunitaire ou empêchent la colonisation par des organismes pathogènes ; L’Acacia cornigera ou le Barteria sont des arbres myrmécophiles, c'est à dire qu'ils ne peuvent survivre qu’avec une colonie de fourmis ; Les termites peuvent La dégrader totalement la cellulose du bois grâce à l'association symbiotique avec des protistes, des bactéries et des archées ; La vache possède également dans son estomac des bactéries symbiotiques capables de digérer la cellulose ; Le mycorhize est une symbiose entre les racines d'un végétal et un champignon ; La plupart des légumineuses peuvent réaliser des symbioses avec des bactéries de type Rhizobium.

III / Le cycle du carbone.

Les végétaux chlorophylliens incorporent le dioxyde de carbone (matière minérale) dans leur matière organique. Ce carbone organique peut alors être ingéré par ceux mangeant la plante et par tous ceux qui suivront dans la chaine alimentaire. Comme ces hétérotrophes consommateurs rejettent du dioxyde de carbone (respiration), le carbone organique constituant les plantes chlorophylliennes est minéralisé en CO2, qui ese retrouve dans l'atmosphère.

Houilles et pétroles résultent de l'accumulation dans le temps et à l'abri de l'action des décomposeurs de matières organiques vivantes. Ce sont des énergies non-renouvelables car elles résultent d'un piégeage et la sédimentation de la matière organique ancienne. Leur utilisation intensive conduira à leur épuisement à plus ou moins long terme et à des modifications de la composition de l'atmosphère en CO2. L'homme modifie donc les écosystèmes par les rejets et les prélèvements qu'il effectue.

L’ÉCOSYSTÈME : UN ÉQUILIBRE FRAGILE.

Le nombre d'individus d'une espèce est limité par la quantité de nourriture disponible et par le nombre de ses prédateurs. Un déséquilibre sur un maillon de la chaine peut affecté la chaine toute entière. Parfois, les déséquilibres sont dus aux activités humaines : introduction de nouvelles espèces, surexploitation, rejet de substances nocives.

I / L'eutrophisation.

L'eutrophisation est la modification et la dégradation d'un milieu aquatique, lié en général à un apport excessif de substances nutritives qui augmentent la production d’algues et d'espèces aquatiques, ainsi parfois que la turbidité, en privant parfois le fond et la colonne d'eau de lumière. Par extension elle désigne la prolifération d'algues vertes et leur fermentation en profondeur.

Cette eutrophisation, phénomène naturelle dans les eaux d'un étang, est parfois accélérée par les rejets de l'activité humaine, comme l'utilisation d'engrais en agriculture, qui va rejeter nitrates et phosphate et entrainer la prolifération des animaux qui s'en nourrissent (bactéries, algues). En effet, si la nourriture est abondante, les animaux se reproduisent plus. Le dioxygène est rapidement consommé entrainant alors un déficit dans le milieu. Les animaux ayant besoin d'oxygène meurent tandis que les autres continuent de proliférer. Les algues fermentent et provoquent des gaz nauséabonds comme le méthane dans certains marées.

II / Surexploitation des ressources en eau.

Prélever de l'eau, pour irriguer les cultures par exemple, peut entrainer une détérioration de la biocénose. L'eau utilisée n'est pas assez vite remplacée par les eaux de pluies. Le niveau baisse, le taux de sel augmente, provoquant la mort des êtres vivants de ce milieu.

III / La déforestation.

La déforestation c'est la régression des surfaces couvertes par la forêt pour l'extension de terres agricoles, l'urbanisation et l'exploitation de certaines essence forestières (comme le chêne liège). Ce sont les forêts tropicales qui sont les plus atteintes par ce phénomène comme la forêt amazonienne au Brésil afin d'étendre le réseau agricole. Leur destruction entraînerait une augmentation des gaz à effet de serre (CO2) puisque le dioxyde de carbone n'est plus absorbé. Ce phénomène pourait avoir des conséquences sur le réchauffement climatique.

IV / L'effet de serre

1) Définition de l'effet de serre naturel et ses effets.

La terre reçoit des rayonnements de la part du soleil. Une partie est absorbée par le sol et l'atmosphère, tandis que le reste est rejeté vers l'espace sous formes d'infrarouges. Sur Terre (comme sur Vénus ou Mars) certains gaz atmosphériques, comme le dioxyde de carbone ou l'ozone, absorbent ces infrarouges et les réemettent vers la sruface terrestre. Il y a un effet de serre naturel qui maintient ainsi la basse atmosphère à une température globale moyenne de surface de 15°C. Mais l'augmentation de ces gaz entrainent une plus forte capacité atmosphérique à conserver les infrarouges. D'où une augmentation probable de la température moyenne de surface.

2) Conséquences supposées de l'effet de serre.

Le réchauffement pourrait entraîner la fonte des glaces aux pôles et donc une élévation du niveau de la mer et en même une augementation de la fréquence et de l'intensité des sécheresse, accompagnées d'évènements climatiques extrêmes comme les canicules, les tempêtes et les cyclones. Les conséquences sur les écosystèmes sont en cours d'évaluation.

Some species of isopods (crustacean group) live parasitically on fish, either externally or internally. One particular group, the cymothoid isopods, can live inside the mouth of a fish. Scientists believe that these isopods hook their legs into the base of the fish’s tongue, causing it to wither and eventually fall off. This leaves room for the isopod to live. (Scientists believe this does not affect the fish’s lifespan!) Some species live off the blood of the host fish, while others feed off the mucus within the fish’s mouth. The mouth parts and legs of all these isopods are well adapted for clinging to the host.
Image copyright of Matthew R. Gilligan, Savannah State University


Symbiotic bacteriae on Alnus.
Photo: Sten Porse

Comment la coccinelle asiatique est-elle arrivée en Europe ? Pourquoi pullule-t-elle en ce moment ? Quelles sont les routes de l’invasion ? Comment s’en débarrasser ? Trois chercheurs de l’Inra de Montpellier et de Sophia-Antipolis répondent à nos questions… (octobre 2007).

A propos de la lutte biologique: la coccinelle asiatique, une alliée devenue envahissante. Vahé Ter Minassian. Journal Le Monde, Science et Techno. 25 octobre 2012 (mis à jour le 01 novembre 2012).



Les algues vertes sont de retour en Bretagne
Elles sont la bête noire des écologistes et des éleveurs, en raison de leur forte toxicité et des dangers qu'elles présentent pour la santé. Depuis peu, elles sont réapparues à Brest et dans la baie de Lannion. En cause : des niveaux de nitrate excessifs dans le sol et des températures extrêmement douces
.

Source : TF1 Vidéo, 21 avril 2012, Durée : 1 min 36

 

Evolution du bassin hydrographique de la mer d'Aral, de 1960 à 1990. (cliché OTAN, Division des Affaires Scientifiques)

Jusqu'au début du XXème siècle, la mer d'Aral en Asie centrale était un des quatre plus grands lacs salés du monde riche en poissons. Autour d'Aralsk, l'état avait développé la culture du coton. Dans ce but, les deux fleuves qui alimentent la mer (le Syr-Daria et l'Amou-Daria) avaient été détournés et des centaines de canaux d'irrigation construits. Le coton, "l'or blanc" était produit en masse, avec, de plus, usage massif d'engrais et pesticides. La mer d'Aral s'est dessèchée et sa surface a diminué de 75%, elle s'est scindée en deux parties, la petite Aral au Nord et la grande Aral au Sud. Aujourd'hui elle a presque entièrement disparu ainsi que sa faune et sa flore [...]. Une tentative [...] est en cours avec la contruction d'une digue entre les deux mers et l'aménagement du Syr-Daria, le fleuve d'alimentation le plus important. Ces travaux devraient faire monter le niveau de la petite Aral et modifier le climat et l'écologie de l'ensemble du site. Le problème est compliqué par l'existence d'une île où se déroulaient des essais d'armes biologiques par l'armée soviètique.




Amazonie : la déforestation s'accélère
Source : Blaise Mao, 2 décembre 2008 - Géo.fr

 

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THEME
Biodiversité : L’unité et la diversité du vivant

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Instructions officielles (BOEN, 2008)

Présentation de la biodiversité : recherche de différences entre espèces vivantes. Présentation de l’unité du vivant : recherche de points communs entre espèces vivantes.
Présentation de la classification du vivant : interprétation de ressemblances et différences en termes de parenté.

Corrélations programmes de l'enseignement secondaire (collège et lycée)

Classe de seconde (2010)

Il s'agit dans ce chapitre de définir ce qu'est le monde vivant d'un point de vue de sa structure mais également de ses fonctions. On a vu que dans chaque écosystème on peut décrire des relations, trophiques notamment, entre les êtres vivants. On observe une biodiversité, comme par exemple, la biodiversité du sol. On définit la biodiversité à trois échelles différentes :la biodiversité écologique, à l'échelle de l'écosystème, la biodiversité des espèces, et la biodiversité génétique, à l'échelle des génes.

Définition : la biodiversité c'est l'ensemble de toutes les formes de vie terrestre présente à l'échelle d'un écosystème, à l'échelle des espèces et à l'échelle génétique.

L'une des grandes questions de la biologie du XIXè et du XXè siècle, c'est d'expliquer l'origine de cette diversité, et notamment le constat qu'il existe des liens de parentés entre les êtres vivants, même s'ils apparaissent différents à première vue. Tous différents... et pourant tous parents !

1. Définir l'unité du vivant

Pendant longtemps, l'un des critères pour dire que quelque chose était vivant était le mouvement. Mais ce n'est pas un critère qui caractérise le monde vivant. Actuellement on retient comme définition du vivant, une définition fondée sur la structure cellulaire et moléculaire des individus : tous les êtres vivants partagent une structure de base qui est la cellule et une structure moléculaire formée par l'assemblage d'atome C (carbone), H (hydrogène), O (oxygène), N (azote), Na (sodium), P (phosphore). On parle de molécule organique.

Les êtres vivants ont aussi comme particularité d'avoir besoin d'énergie et de produire de la matière organique avec deux grandes modalités (ou métabolismes) : par autotrophie (dont la photosynthèse, avec une fabrication de matière par l'individu lui-même) ou par hétérotrophie (forme de recyclage de la matière organique fabriquée par d'autres).

D'un point de vue de la survie de l'espèce, un être vivant se caractérise par l’existence d'un cycle de vie avec des phases de croissance et de développement associées à des fonctions de nutrition et de relation, et des phases de reproduction sexuée.

2. Classer le monde vivant et comprendre l'origine de la biodiversité actuelle, passée et à venir

Voir l'historique de la classification (Salamé, 2012).
La classification repose sur la volonté de regrouper les êtres vivants en fonction de ce qu'ils partagent d'un point de vue anatomique, moléculaire et cellulaire.

La cellule est le caractère commun à tous les êtres vivants. Dans tous ceux qui ont des cellules, on distingue trois groupes depuis 1985, les archées, les bactéries et les eucaryotes (cellule à noyau) à partir du LUCA.





voir le Journal du CNRS : D'où vient la vie ?
n°264 - janvier-février 2012

Les trois piliers de la vie, p.24-25 :
la membrane, le métabolisme et la génétique

On l’appelle Luca, pour Last Universal Common Ancestor, le dernier ancêtre commun universel. Il s’agit de l’organisme à partir duquel les trois grands domaines du vivant – les bactéries, les archées et les eucaryotes – auraient évolué. De nombreux scientifiques lancés dans la quête des origines tentent de dresser son portrait, même s’il n’est pas, loin s’en faut, le premier organisme à avoir habité la Terre et si personne ne sait quand il a pu vivre. « Étant donné toutes les étapes qu’a nécessitées la naissance de la vie, de la chimie prébiotique à l’émergence du métabolisme et du système génétique, Luca est déjà un organisme assez évolué », considère la biologiste Marie-Christine Maurel. À quel point ? La question reste en débat. Si de nombreux chercheurs penchent pour un système génétique à base d’ADN, puisque tous les organismes cellulaires actuels ont des génomes à ADN, certains n’excluent pas que Luca ait encore eu un génome à ARN, étant donné que les protéines impliquées dans la réplication de l’ADN sont différentes entre les bactéries d’une part et les archées et les eucaryotes d’autre part. Quant à son métabolisme, il était probablement d’origine chimique, la capacité à utiliser la lumière comme source d’énergie semblant être apparue bien plus tard, chez les bactéries.
Dans quel environnement vivait-il ? Certaines hypothèses ont fait de Luca un organisme thermophile capable de vivre à de hautes températures, de l’ordre de 80 °C. Mais l’équipe de Manolo Gouy, du laboratoire Biométrie et biologie évolutive 1 , à Villeurbanne, a émis un avis différent. « Chez les procaryotes, il existe une relation forte entre la composition chimique de l’ARN et des protéines et la température, explique le chercheur. Grâce à notre modèle, nous avons reconstitué l ’état ancestral des gènes communs aux êtres vivants. » Résultat : d’après la composition modélisée des gènes ancestraux, Luca aurait vécu à des températures plus clémentes, inférieures à 50 °C. Ce n’est que plus tard qu’un réchauffement de l’environnement aurait conduit à l’apparition d’organismes thermophiles.

On regroupe les êtres vivants en 5 groupes en utilisant des critères de classements, c'est à dire une caractéristique morphologique ou anatomique. On classe donc les êtres vivants par ce qu'ils ont et non pas par ce qu'ils font. On parle de caractères ou d'attributs d'une espèce. Ces caractères peuvent être communs et dérivés.

Autour de ces cellules, on peut avoir ou non une paroi comme pour les cellules végétales, les champignons, les bactéries et les archées. Ces parois se différencient par leur structure et leur composition chimique. Avec une caractéristique pour les cellules végétales et certaines bactéries (cyanobactéries) : la particularité d'avoir une molécule, la chlorophylle, qui leur permet de capter l'énergie solaire et de la transformer en énergie chimique (photosynthèse).

Attention à la dfférence entre classification et détermination : Les critères du document 3 permettent de donner un nom à l'espèce et la déterminer. Ils permettent en général de réaliser des tris et des clés de détermination. À partir de ces critères là, on ne peut pas construire la classification du monde vivant.
Par ailleurs, il existe de nombreuses façon de regrouper les êtres vivants et donc de mettre de l'ordre dans la diversité biologique. On peut faire en fonction du lieu de vie, de l'alimentation, du monde de déplacement et on parle alors de critères écologiques. Mais le classement universel des scientifiques utilise des critères de ressemblance qui permettent de construire des groupes de taille plus ou moins important.

Les étapes de la construction d'une classification phylogénétique

1- on observe les espèces à classer et on fait un tableau des caractères ou attributs observés (ET PAS DES CARACTERES QU'ILS N'ONT PAS puisque l'absence de caractère n'est un critère de classification. Ainsi le terme d'invertébrés est une information importante mais qui ne constitue pas un critère de classement).
2- on construit des ensembles emboîtés
3- on construit un arbre de parenté entre les êtres vivants qui résume l'histoire évolutive et les liens de parenté entre tous ces êtres vivants. On parle de phylogénie des espèces.

La phylogénie cherche donc des liens de parenté à partir des caractères communs et les caractères dérivés. Elle reflète l'éloignement génétique plu ou moins important entre les espèces. Cette éloignement s'explique par les lois de l'évolution énoncées par Darwin : de génération en génération, il se produit une variation génétique (et donc l'apparation de nouveaux caractères), qui peut conduire par sélection naturelle à l'apparition (ou à la disparition !) d'une espèce. Dans les classifications actuelles, les espèces fossiles dont on peut connaître les critères sont placés dans la classification phylogénétique, même si la sélection naturelle les a fait disparaître.

EXERCICE : Classer la collection proposée d'animaux du sol et de la litière

EXERCICE : La naissance de nouvelles espèces.... en laboratoire ?
Qu'apporte cette expérimentation à la connaissance des mécanismes de l'évolution des espèces ?


In Understanding Evolution, University of Berkeley

An experiment demonstrating allopatric speciation in the fruit fly (Drosophila pseudoobscura) conducted by Diane Dodd (1989). A single population of flies was divided into two, with one of the populations fed with starch-based food and the other with maltose-based food. After the populations had diverged over many generations (one year later), the groups were again mixed; it was observed that the flies continued to prefer mating with others from the same original population. [...] Dodd's experiment has been easy for many others to replicate, including with other kinds of fruit flies and foods.

Evidence for Speciation
Reproductive isolation, after many generations isolation (one year) and using different food types....

The first steps of speciation have been produced in several laboratory experiments involving "geographic" isolation. For example, Diane Dodd (1989) examined the effects of geographic isolation and selection on fruit flies. She took fruit flies from a single population and divided them into separate populations living in different cages to simulate geographic isolation. Half of the populations lived on maltose-based food, and the other populations lived on starch-based foods. After eight generations, the flies were tested to see which flies they preferred to mate with.

Dodd found that some reproductive isolation had occurred as a result of the geographic isolation and selection for different food sources in the two environments: "maltose flies" preferred other "maltose flies," and "starch flies" preferred other "starch flies." Although, we can't be sure, these preference differences probably existed because selection for using different food sources also affected certain genes involved in reproductive behavior. This is the sort of result we'd expect, if allopatric speciation were a typical mode of speciation.

Diane Dodd’s fruit fly experiment suggests that isolating populations in different environments (e.g., with different food sources) can lead to the beginning of reproductive isolation. These results are consistent with the idea that geographic isolation is an important step of some speciation events.

La synthèse commentée de Philomène (juillet 2012)

Unité du monde vivant

1) Les êtres vivants partagent des grandes fonctions.

  • La nutrition, c'est-à-dire le prélèvement de matière dans le milieu extérieur (comme le dioxyde de carbone, les sels minéraux pour les autotrophes),
  • La reproduction et les étapes de la croissance et du développementn ainsi que le cycle de vie,
  • La respiration, réaction biochimique d'oxydation des molécules organiques au niveau des cellules, avec absorption de dioxygène et rejet de CO2 et d'eau. Certains êtres vivants peuvent réaliser cette oxydation sans dioxygène, comme les champignons microscopiques et les bactéries. Il s'agit alors d'une phénomène d'oxydation incomplète des molécules organiques appelés la fermentation.
  • Les fonctions de relation : le déplacement n'est pas un critère nécessaire et suffisant pour identifier les êtres vivants car certains ne se déplacent pas, comme les huitres. Mais tous présentent des mouvements dans leurs cellules et parfois au niveau de l'organisme.

2) Les êtres vivants présentent une composition chimique et une organisation communes.

Composition chimique :
L'eau (composant le plus important), les molécules organiques (comme les glucides, lipides, protides, formés basiquement par l'assemblage de carbone, d'hydrogène et d'oxygène [CH20]), les sels minéraux, les vitamines et les acides nucléiques (ADN, ARN) composent les êtres vivants. L'abondance relative de ces composants varient d'une espèce à l'autre.

Unicellulaire ou pluricellulaire :
Chaque cellule présente des acides nucléiques (enveloppés ou non dans un noyau), un cytoplasme et une membrane cytoplasmique.
Un être vivant unicellulaire exerce toutes les fonctions à l'intérieur même de sa cellule : nutrition, reproduction, communication. Bactéries et virus sont des unicellulaires particuliers. Les bactéries n'ont pas un noyau délimité, les virus n'ont pas d'activité vitale autonome et ne se reproduisent qu'à l'intérieur d'une cellule-hôte qu'ils infectent.
Un être vivant pluricellulaire a des cellules qui se différencient et se spécialisent dans des fonctions diverses, au sein d'organes.

3) Les êtres vivants entretiennent entre eux et avec le milieu des relations de dépendance.

  • Relations trophiques : matière (alimentation, excrétion) ou énergétique (respiration, photosynthèse), avec des échanges de matières : Gazeuse : respiration avec entrée d'O2 et sortie de CO2, photosynthèse pour les végétaux chlorophylliens avec entrée de CO2 et sortie d'O2.
    Non gazeux : pour les animaux, entrée de matière organique et minérale puis excrétion, pour les végétaux verts, entrée de matière minérale, rejet d'eau.
  • Relations énergétiques : la consommation de matières organiques chez les hétérotrophes est une source d'énergie. La lumière est une source d'énergie chez les autotrpohes (végétaux verts) et permet la synthèse de la matière organique à partir de matière minérale et en présence de lumière : c'est la photosynthèse.
  • Relations de communication : si le stimulus provient de l'extérieur (milieu, autre animal) il y a réponse. Le message du stimulus est capté par un des organes des sens qui transmet l'information aux systèmes nerveux qui le traite et transmet un message réponse via les organes effecteurs. La communication peut se faire entre deux organes à l'intérieur du corps animal ou végétal. La nature de cette communication peut être nerveuse ou hormonale et permet aux cellules de coopérer.
Diversité du monde vivant

Actuellement, selon les sources, le nombre d'espèces découvertes et répertoriées varient entre 1,4 et 1,7 million. Ce chiffre est très largement inférieur au nombre d’espèces peuplant aujourd’hui notre planète. Beaucoup d’espèces, de très petites tailles et/ou vivant dans des milieux difficiles d’accès, échappent encore à notre détection. Selon des estimations, le nombre réel d’espèces actuelles serait au minimum deux fois supérieur à ce qui a été décrit—mais les spécialistes ont beaucoup de mal à proposer ces estimations et les nombres donnés varient dans de très grandes proportions.

Le nombre d'espèces a évolué au cours de temps géologiques, comme le montre les estimations. Certaines disparaissent, de nouvelles apparaissent et se diversifient.

Littéralement, la biodiversité est la diversité biologique, autrement dit, la variété des organismes vivants. Elle est classiquement envisagée selon trois niveaux :

  • génétique : diversité des gènes chez les organismes vivants,
  • spécifique : diversité des espèces vivantes,
  • écosystèmique : diversité des relations biologiques au sein des milieux de vie (diversité écologique) .

La biodiversité est le résultat d'évolutions, par sélection naturelle et par variations génétiques, qui ont permis aux êtres vivants de s'adapter à leurs milieux. Cette biodiversité varie à différentes échellles de temps et s'appauvrit à cause des activités de l'homme (déforestation, assèchement, surexploitation) et à l'augmentation de la démographie humaine. Une prise de conscience liée à la protection de cette biodiversité s'est faite au niveau scientifique, politique et éthique dans un objectif de développement durable, depuis la Convention sur la Diversité Biologique en 1992 (Pacte rédigé sous forme de plusieurs articles visant à « maintenir l’équilibre écologique de la planète tout en allant vers le développement économique ». Cette convention a été mise en place lors du sommet de la Terre à Rio de Janeiro (Brésil) en 1992. Elle a été ratifié depuis par de nombreux pays (au nombre de 165 en 1996). Les trois principaux objectifs de la convention sont « la conservation de la diversité biologique, l’utilisation durable de ses éléments et le partage juste et équitable des avantages découlant de l’exploitation des ressources énergétiques »).

L'évolution des êtres vivants et la classification

1) La notion d'espèce.

Les êtres vivants appartiennent à la même espèce s'ils peuvent se reproduire entre eux et donner des individus fertiles. Les hybridations entre deux espèces proches, comme le cheval et l’ânesse, peuvent donner naissance à un mulet, mais celui sera stérile. On peut retracer la phylogenèse des êtres vivants de leurs ancêtres aux formes actuelles. Ceci permet de faire une classification des êtres vivants

ESPECE : Ensemble d’individus interféconds (reproduction possible et descendance viable) mais isolés sur le plan de la reproduction des individus membres d’autres espèces. Ce concept biologique d’espèce est dû notamment à Ernst Mayr et Theodosius Dobzhansky. En dépit d’une variabilité souvent non négligeable, les membres d’une même espèce présentent généralement une certaine ressemblance morphologique, marqué par le partage de caractères hérités d’une parenté commune (Glossaire du MNHN, 2006).

2) La classification (voir ci-dessous et ci-dessus)


Petit inventaire de la Biodiversité

Source : Cité des sciences - Sciences Actualités - 1998

De nos jours, le groupe qui présente le plus grand nombre d’espèces recensées, au niveau mondial est celui des insectes. Il s’agit du plus fort représentant de la biodiversité mondiale et contient la moitié du nombre d’espèces vivantes répertoriées. Puis, vient celui des plantes vertes
Source : Museum d'Histoire naturelle de Paris - 2006

Courbes de biodiversité en fonction du temps depuis 600 millions d’années. D. Nombre de genres marins ; E. Nombre de phyla (embranchement), classes et ordres de tous milieux ;
D'après De Wever P., David B., Broutin J. et Neraurdeau D. Paléobiosphère: regards croisés en sciences de la vie et de la Terre) et le site Biodiversité et Crises (MNHN)


La classification des êtres vivants : principes généraux
(2002)
Source : Guillaume Lecointre, Site La Main à la Pate


Source : Naoum Salamé - IFE

CLASSER, RANGER, TRIER LE MONDE VIVANT
D'après R. Tavernie (dir. 2006). Enseigner la biologie et la géologie à l'école primaire, p.341-366

Lecointre G. (dir. 2006). Comprendre et enseigner la classification du vivant, Guide de l'enseignement, Belin, p.45-56.

Chanet B et Lusignan F (2006). Classer les animaux au quotidien, Editions au Quotidien, p.8-23

Le sens de la classification des êtres vivants

Triouver le nom d'un être vivant est un travail de recherche méthodique, qui permet d'atteindre des objectifs de connaissances (notion d'espèce) et de compétences (détermination scientifique). L'identification peut se faire par l'intermédiaire d'une clé de détermination (sachant qu'en fonction de son âge, un individu change de silhouette) ou en comparant l'être vivant à un dessin précis accompagné de critères d'identification. L'organisme identifié est désigné par son nom de genre et d'espèce (il existe ainsi plusieurs espèces de Grenouille) : une espèce regroupe l'ensemble des êtres vivants qui se ressemblent et qui sont interféconds.

La classification des êtres vivants introduit un certain ordre dans la biodiversité, en réunissant dans des groupes plus ou moins restreints, les espèces qui ont des caractères communs. La classification apporte alors des informations sur les espèces (elle aide à s'en faire une représentation).

Classification et évolution du vivant

A travers la classification, on cherche aussi à expliquer l'origine de la biodiversité, en mobilisant un cadre de pensée théorique, celui de l'évolution des espèces. En fonction des nouvelles données et interprétations scientifiques, la classification change et on est ainsi passé de 5 groupes de vertébrés à 8 groupes. Les reptiles et les poissons ont disparu car ils ne sont pas homogènes d'un point de vue des innovations phylogénétiques. Ils ne possédent pas tous les descendants d'un même ancêtre commun. Ainsi, le groupe des Reptiles doit inclure les oiseaux pour contenir tous les descendants d'un même ancêtre.

  • mammifère
  • mammifère
    Vache, Phoque
  • amphibien
  • amphibien
    Crapaud, Triton
  • oiseau
  • oiseau
    Autruche, Pie
  • reptile
  • crocodilien
    Aligator, Caiman

 

  • lezard et serpent

 

  • tortue
    Tortue verte
  • poisson
  • poisson osseux (téléostéens)
    Truite, Sole

 

  • poisson cartilagineux (chondrichtyens)
    Raie, Requin

Voir Tavernier et Lamarque (2006), Classification passée et actuelle des vertébrés, figure page 354.
ou Chanet et Lusignan (2006), Arbre phylogénétique des Vertébrés, page 21.

Classer les espèces consiste à regrouper celles qui semblent le plus étroitement apparentées, autour de critères de ressemblance significatifs et opérationnels. En supposant qu'elles ont un ancêtre commun, un groupe contient donc tous les descendants d'une espèce ancestrale. La classification est donc phylogénétique. Il faut souligner que les races et les variétés n'ont pas de sens évolutif dans la mesure où il s'agit de sous-espèces le plus souvent sélectionnés par l'homme pour l'agriculture et l'élevage.

Les arbres de parenté

On peut construire un arbre de parenté entre des ancêtres hypothétiques et leurs descendants ou bien des groupes emboités (chaque boite est un groupe défini par des caractères communs). Ainsi les Ruminants (cornes) vont partie des des Ongulés (sabots) qui font eux mêmes partie des Mammifères (poils). La représentation arborescente offre l'avantage de permettre de construire le concept d'évolution sur des données objectives (caractères exclusifs observables) et grâce à un raisonnement rigoureux (voir exercice Edition Belin, 2010, programme de seconde SVT, page.....). Signalons qu'un arbre de parenté ne se lit pas de gauche à droite mais dans le sens chronologique des ancêtres communs (da bas en haut). (voir exercice page 19, Chanet et Lusignan, 2006). Les points de rencontre entre les branches représentent les ancêtres communs hypothétiques entre êtres vivants ainsi que la présence de caractères transmis par ces ancêtres.

Si l'unité structurale et fonctionnelle du vivant laisse penser que toutes les espèces ont des relations de parenté, l'évolution explique la diversité des êtres vivants avec l'apparition d'innovation génétique. L'évolution permet donc de donner un sens à une classification fondée sur des innovations. Par conséquent, ne pas avoir de colonne vertébrale ("être invertébré") n'est pas une innovation évolutive. Ce caractère négatif, même s'il est riche d'informations sur les espèces, n'est pas un critère de classification scientifique.

Les principaux écueils scientifiques

Dans le secondaire, c'est dans les années 1990 que commence la sensibilisation des enseignants aux liens entre classification et phylogénie et la diffusion de classifications non-anthropocentriques. Dans les années 2000, avec la Main à la pâte, la classification phylogénétique du vivant apparait dans l'enseignement primaire (cycle 2 et 3). J'insiste ici sur les principaux écueils scientifiques qu'il faut garder à l'esprit :

    Rappelons que le tri est utilisé dans des clés de détermination, avec des arborescences décisionnelles permettant de mettre un nom sur un organisme par dichotomie, en fonction des caractères que l'organisme possède ou ne possède pas. C'est l'exemple de la flore Bonnier. Ce n'est donc pas une classification même si parfois les caractères utiles à la détermniation sont en même temps des attributs ayant un sens phylogénétique. En ce qui concerne le rangement, il consiste à organiser les objets d'un échantillon sur la base d'un critère continu (la longueur par exemple).

    Exercice : la différence entre le classement, le tri et le rangement de la collection suivante : boa constrictor, autruche, pipistrelle, escargot petit gris (Lecointre, 2006, p. 55).

    La confusion entre le tri (ceux qui ont des vertévres, un noyau, une machoire, des pattes, des poils, une station debout et ceux qui n'en ont pas) et la classification conduit à présenter les Invertébrés, les Procaryotes, les Agnathes, les Poissons, les Reptiles, les Pongidés comme un groupe de la classification. Il s'agit en fait de groupes privatifs et ces groupes n'ont pas de sens phylogénétique. Ils ne spécifient rien sur les attributs propres des êtres vivants qu'ils englobent.
    On classe les organismes sur :
    On ne classe pas sur :
    • ce qu'ils ont (vertébres, poils, plumes, crocs, sabots, cornes, ou encore coquille à deux parties,...)
    • ce qu'ils n'ont pas (absence de vertébres)
    • ce qu'ils font (nager, voler, manger des plantes,...)
    • l'endroit où ils vivent (sol, eau, grotte,..)

    Exercice : l'exemple des quatre animaux (âne, chien, chat, brème et coq) du conte des frères Grimm Les Musiciens de Brême (in Chanet et Lusignan, 2006, p.8-9). A partir de cet échantillon, construire une classification emboitée et un arbre phylogénétique.
    Exercice autour de la classification d'Aristote (philosphe grec, 384-322 av.JC) :A partir d'observations fines, il aboutit à des regroupements selon ce que font les animaux dans l'ouvrage Les parties des animaux. Une classification à comparer avec celles proposées par les élèves :
    Parmi les animaux, les uns sont carnivoires, d'autres herbivores, d'autres omnivores. Certains ont une nourriture particulière comme le genre des abeilles qui utilise pour se nourir le miel et quelques autres substances douces. Les uns sont du type chassuern d'autres dy type amasseurs de nourriture, d'autres non. Les uns ont une maison, les autres n'en n'ont pas : ont une maison par exemple la taupe, la souris, la fourmi, l'abeille ; n'en n'ont pas la plupart des insectes et des quadrupèdes. les uns vivent la nuit, comme la chouette, la chauve-souris, les autres vivent à la lumière.

    On se fonde sur ce que les êtres vivants possèdent afin d'utiliser des arguments de preuves, fondements de toute démarche scientifique. "Ce qu'ils n'ont pas" revient à utiliser une absence de preuve pour justifier un raisonnement et conduit à des incohérences et des contradictions.

    Les groupes paraphylétiques ne doivent pas être maintenus si l'on souhaite offrir une vision scientifique moderne de la biodiversité, prenant en compte les apports de Hennig et de la génétique. Certains de nos anciens groupes familiers ont disparu de la classification phylogénétique, soit parce qu'ils constituaient des grades (groupes définis négativement, par "ce qu'ils n'ont pas" : procaryotes, protistes, bryophytes, ptéridophytes, gymnosperrmes, Invertébrés, Acoelomates, Agnathes, Poissons, Reptiles, Prosimiens, Pongidés), soit parce qu'ils étaient trop hétérogènesn rassemblant des espèces non-apparentées (algues).

    Certaines groupements d'êtres vivants traduisent une réalité écologique, physiologique, ou encore utilitaire : zooplancton, pédofaune, fouisseurs, herbivores, détritivores, nageurs, volants, fruits, légumes, etc... Ces entités sont des outils conceptuels utiles mais qui ne prennent pas de sens dans le contexte de l'approche phylogénétique. Ainsi l'écologie, qui utilise des clés de détermination, et la systématique, qui utilise des arbres de parenté, s'intéressent à des problèmes scientifiques différents. En contexte d'enseignement, il me semble important de passer par une étape attentive aux diverses méthodes et critères de classement proposés par les élèves (exemple : mou/dur, vivant dans l'eau/sur la terre, objet/vivant, etc...). Tous ont une logique propre, qui aboutissent parfois à des incohérences, et on ne peut pas utiliser deux systèmes en même temps. On précisera alors que la classification scientifique du vivant utilise les caractères que les organismes possèdent et qui leur ont été transmis par leus parents et avant eux, par leurs ancêtres plus lointains.

La notion de chainon manquant renvoie à une vision généalogique et linéaire de l'évolution. Elle traduit donc une confusion entre généalogie et phylogénie. La phylogénie exprime des liens de parenté et non de descendance. La probablilité de trouver la chaîne généalogique du vivant, génération par génération, est infiniment petite. Un intermédiaire structural qui présente une collection de caractères unique parmi les êtres vivants connus n'est pas un ancêtre. L'intermédiaire se place à l'extremité d'une branche qui lui est propre dans l'arbre de parenté (exemple d'Archéopteryx, avec des plumes et des dents).

Généalogie
Qui est l'ancêtre de qui ?
Phylogénie
Qui est le plus proche parent de qui ?
  • des données historiques fiables
    (lettres, registres, états-civils,...)
  • sur quelques siècles
  • identification d'ancêtres
  • des données indirectes
    (caractères hérités, traces incomplètes, rares, fossiles,...)
  • sur des centaines de millions d'années
  • identification de parents

L'Homme ne descend pas du singe, espèce actuelle, mais paratage avec lui et les singes actuels un ancêtre commun dont l'âge est estimé à huit millions d'années, le chimpanzé étant l'animal le plus proche de notre espèce. Dans la même logique, les ancêtres identifiés n'existent pas. Ce sont des ancêtres hypothétiques. Les fossiles sont donc classés de la même manière que les espèces actuelles : non pas aux noeuds mais au bout des branches. En phylogénie, les fossiles ne sont pas plus des ancêtres que ne le sont les espèces actuelles.

Une espèce primitive ou une espèce évoluée n'a pas de sens biologique : toutes les espèces sont spécialisées dans certaines fonctions différentes d'une espèce à l'autre. Elles sont le résultat de l'évolution et vouloir les hiérarchiser ne repose sur aucun élément objectif. Il n'y a donc pas d'espèces plus évoluées que d'autres, mais seulement des espèces adaptées à des environnements différents. Attention à la vision anthropocentrique selon laquelle l'Homme est l'espèce la plus évoluée du monde vivant.

Exercice : d'après les vidéos Universciences de Pascal Picq : L'homme est un singe et Le propre de l'Homme, on amène les élèves à comparer les espèces en fonction des critères habituellement utilisés pour montrer la supériorité de l'espèce humaine.
L'exemple de l'ornithorynque montre des caractères à la fois primitifs (ponte des oeufs, absence de tétons) et dérivés (bec corné, éperon vénimeux) si l'on se place dans le groupe des mammifères. Un état de caractère ne peut donc être qualifié de primitif ou de dérivé de manière absolue.
Autre exemple : la plume qui est un caractère dérivé chez les Archosaures mais primitif pour les falconiformes (voir Tavernier, 2006).

La notion de fossile vivant (espèce actuelle dont la morphologie serait identique à celle d'un fossile connu) n'a pas de sens biologique. Rien ne permet de dire qu'il s'agit de la même espèce, même si la morphologie reste proche. On ne peut pas considérer qu'un fossile vivant est une espèce qui a "arrêté d'évoluer".
Voir exercice sur l'Ornythorinque, programme de troisième, 2008.
La notion de progrès évolutif n'a donc pas de sens : toute espèce est performante pour certaines actions ou fonctions, et moins pour d'autres, dans le cadre d'un échantillon d'espèces donné.

Prenons l'exemple du vol. Dans la nature, cette fonction de locomotion particulière peut être assurée de diverses manières (excroissance de cuticule, nageaoires pectorales allongées, membres antérieurs allongées, allégés et portant des structures particulières, membres antérieurs avec le doigt IV géant et à membrane de peau, membres antérieurs aux doigts allongés soutenant une membrane de peau). Ces 5 organismes volent mais avec des organes différents. Les classer dans un même groupe évolutif n'a pas de sens, car ce caractère n'est pas transmis et transformé d'ancêtre à descendants. Les organes ont une structure différente mais réalisent la même fonction : ils sont qualifiées d'analogues. Des organismes différents ont utilisé des solutions différentes pour converger vers une même fonction (ici le vol). Signalons que les ailes des trois derniers exemples sont analogues en tant qu'ailes mais aussi homologues en tant que membre antérieur de Tétrapodes !
D'autres exemples d'analogie
existent avec l'hydrodynamisme (ichtyosaure et dauphin) ou encore chez les fouisseurs (taupe et courtillière) ou bien le placenta des requins, des serpents et des lézards et des mammifères
. Ces structures acquises indépendamment sont des analogues par phénomène de convergence.

Analogie
Homologie

même fonction
résultat d'une convergence
(approche physiologique)

même structure
traduisant une parenté entre organismes
(approche évolutive)

Le problème n'est pas d'y croire mais d'être convaincu par les arguments présentés. Il est vrai que l'évolution contredit des discours millénaires mais les discours scientifiques et théologiques ne sont pas comparables car les objectifs sont différents (voir par exemple la création des hommes selon les Mayas, en lien avec les enseignements d'histoire et de géographie : les Mayas croyaient que les dieux avaient créé les hommes et que les singes étaient le résultat d'une tentative manquée). Il est rappelé dans le programme de l'école primaire qu'un des enjeux de l'enseignement des sciences est de faire saisir aux élèves la distinction entre faits et hypothèses vérifiables d’une part, opinions et croyances d’autre part (BOEN, 2008, cycle 3). La distinction des argumentaires se fonde sur l'existence de preuves matérielles. Attention : il ne s'agit pas de faire le procès des religions ou des civilisations mais de montrer, sans juger, que les croyances et les connaissances des hommes ont changé selon les époques. On soulignera que les sciences utilisent des preuves matérielles qui peuvent être discutées alors que les convictions philosophiques ou religieuses ne s'appuient pas sur la matérialité des preuves. Il en va ainsi de la vision anthropocentrique partagée par la plupart des civilisations selon laquelle l'homme est le sommet de l'évolution, l'être le plus évolué (comme chez les Mayas).

La sélection naturelle et l'évolution génétique transmise à la descendance sont des mécanismes évolutifs décrits dans la conclusion de l'ouvrage de Darwin On the origin of species by means of natural selection, or the preservation of favoured races in the struggle for life, first British edition (1859), pp. 489-490 :

It is interesting to contemplate an entangled bank, clothed with many plants of many kinds, with birds singing on the bushes, with various insects flitting about, and with worms crawling through the damp earth, and to reflect that these elaborately constructed forms, so different from each other, and dependent on each other in so complex a manner, have all been produced by laws acting around us. These laws, taken in the largest sense, being Growth with Reproduction; Inheritance which is almost implied by reproduction; Variability from the indirect and direct action of the external conditions of life, and from use and disuse; a Ratio of Increase so high as to lead to a Struggle for Life, and as a consequence to Natural Selection, entailing Divergence of Character and the Extinction of less-improved forms. Thus, from the war of nature, from famine and death, the most exalted object which we are capable of conceiving, namely, the production of the higher animals, directly follows. There is grandeur in this view of life, with its several powers, having been originally breathed into a few forms or into one; and that, whilst this planet has gone cycling on according to the fixed law of gravity, from so simple a beginning endless forms most beautiful and most wonderful have been, and are being, evolved.

Les expériences de transfert de gènes (voir accompagnement du programme de seconde 2010) d'un embryon d'une espèce à celui d'une autre espèce n'en modifient pas toujours le développement. C'est un des arguments utilisés pour proposer un lien de parenté lointain par exemple entre la mouche, la souris et l'Homme. Pour la communauté scientifique internationale : Nothing in biology makes sense except in the light of evolution (Dobzhansky, 1900-1975).

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THEME
Le ciel et la Terre
Structure et dynamique du globe

SCIENCE AND SOCIETY


Marie Tharp in her office at Columbia University’s Lamont Geological Observatory,
pretending to work. Circa 1959.


Physiographic Diagram, Atlantic Ocean (Sheet 1), 1957
Heezen, Bruce C.; Tharp, Marie

Florence DANIEL, « PREMIÈRE CARTE DE FONDS OCÉANIQUES », Encyclopædia Universalis :

Dans les années 1950-1960, le Lamont Doherty Geological Observatory (université Columbia, New York) lance un grand programme d'étude du fond des océans. Son directeur, Maurice Ewing, charge alors ses collaborateurs Bruce Charles Heezen et Marie Tharp d'établir des cartes à partir des sondages bathymétriques obtenus lors de campagnes océanographiques dans l'océan Atlantique. La technique utilisée est celle du « diagramme physiographique », dessin en perspective mettant en valeur les grandes structures présentes au fond des océans. Les deux cartographes publient en 1959 leur premier document de ce type, celui de l'Atlantique nord. Il met en évidence une longue chaîne montagneuse sous-marine, la dorsale médio-atlantique qui parcourt tout l'océan du sud au nord et qui est creusée, en son centre, par un fossé large de quelques kilomètres, le rift. Cette carte majeure contribuera à l'élaboration de la théorie de la tectonique des plaques.

Heezen et Tharp publieront par la suite toute une série de diagrammes physiographiques. L'aboutissement sera, en 1977, une représentation complète des océans. Ce dernier document est encore aujourd'hui le plus célèbre des sciences de la Terre.


La géométrie de la surface océanique au repos reflète en partie la topographie sous-marine du fait de variations infimes de la force de gravité à la surface du globe. Depuis 1995, à partir de la mesure depuis l'espace des ondulations de la surface océanique, les géophysiciens réalisent une cartographie des reliefs sous-marins. Source : IRD, 2006 et CNES, 2011




Carte du fonds des océans
par Tanguy de Rémur © Hachette, Paris, 1979
Carte dressée sous la direction scientifique de Xavier Le Pichon.

Illustrateur français spécialisé dans la géodynamique et la géologie, Tanguy de Rémur est connu pour son travail avec le pionnier de la tectonique des plaques Xavier Le Pichon. Il participe à l'illustration du modèle proposé par celui-ci en 1968, lui assurant une certaine notoriété. En 1976 la veille du premier vol du Concorde, il est met en place un dessin éclaté de ce nouvel avion. Il devient ensuite illustrateur chez Hachette.



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Instructions officielles (BOEN, 2008)

Le mouvement de la Terre (et des planètes) autour du Soleil, la rotation de la Terre sur elle-même ; la durée du jour et son changement au cours des saisons.
[...] Volcans et séismes, les risques pour les sociétés humaines.[...]

Corrélations programmes de l'enseignement secondaire (collège et lycée)

Classe de quatrième (2008)
Classe de seconde
Classe de première S
Classe de terminale S

La difficulté didactique de ce thème, c'est la perception des échelles de temps et d'espace avec des phénomènes lents, sur l'ensemble de l'histoire de la Terre, c'est-à-dire 4,5 milliards d'années, dont on ne dispose le plus souvent que de traces indirectes. Cependant, Il existe des phénomènes géologiques qui se déroulent très rapidement dans des échelles de temps perceptibles par l'homme. Exemple : séismes, volcan, tsunami, tempêtes, courants océaniques....


Source : Caron J.-M. et al. (1996).
Comprendre et enseigner la géologie
.
Ed. Ophrys, p.21.

Les échelles d'espace varient en géologie, du réseau cristallin, en majorité silicaté (de composition atomique Si,O, Al, Mg, Fe), à un globe aplati aux pôles (rayon moyen de 6400 kilomètres) et composé de roches majoritairement solides, entouré d'enveloppes fluides, dont l'atmosphère, de 400 km d'épaisseur.

L'objectif de ce cours est de se représenter la structure du globe, de comprendre sa dynamique, l'objectif éducatif étant de discuter des logiques scientifiques qui permettent de développer une prévision et une gestion des risques volcaniques et sismiques dans les régions où les populations sont exposées. C'est un exercice de modélisation, c'est-à-dire de construction d'une représentation de la planète fondée sur des observations et des mesures que l'on met en cohérence autour d'un modèle permettant d'imaginer le futur à partir de la compréhension des phénomènes actuels et passés.

Actuellement, le modèle de Terre proposé par les géochimistes et les géophysiciens est une planète en couches concentriques de température et de compositions chimiques différentes, avec une croûte et un manteau entièrement solide et un noyau liquide à l'extérieur et solide à l'intérieur. On dit que la Terre est différenciée.

I. Le modèle de Terre

Voir l'histoire des modèles de Terre, Vincent DEPARIS, Site Planet-Terre, 2001.

EXERCICE : colorier la croûte en marron, le manteau en vert (olivine !) et le noyau de Fe et de soufre, en rouge

La croûte est composée de granites (majoritairement sur les continents, silicates d'aluminium) et de basaltes (majoritairement sur les océans, silicates de Fe et de Magnésium). Le manteau est formé d'une roche qui contient un minéral composé de silicium, d’oxygène, de magnésium et de fer, l'olivine associé à des pyroxènes. L'épaisseur de la croûte est comprise entre 3 et 70 kilomètres. Le noyau est formé de fer à 98% et de nickel.

Entre 1908 et 1950, on réalise progressivement une échographie de l'intérieur de la Terre grâce à l'étude de la propagation des ondes sismiques, rallenties dans les zones chaudes et accélérées dans les zones froides. Cette échographie révèle que les 100 premiers kilomètres (croûte + manteau supérieur) forment un ensemble de roche que l'on appelle la lithosphère qui a un comportement cassant. On parle souvent de plaque lithosphérique.

La tectonique des plaques est le modèle qui décrit le mouvement de cette couche solide à la surface du globe (avec des vitesses de l'ordre du cm/an (de 1 à 10 centimètres par an en fonction des régions) qui peuvent être étudiées par des reconstitutions de la vitesse de sédimentation, de l'évolution de l'aimantation des roches basaltiques, ou encore, de manière instantannée, par des données GPS.

II. Tectonique des plaques et séismes

Map of the epicenter locations of earthquakes of magnitude 4.5 or greater that occurred from 1978 through 1987 : Ninety percent of the world's earthquakes occur in specific areas that are the boundaries of the Earth's major crustal plates.
Source : US Geological Survey (USGS)

Sur la carte de la surface du globe, si on représente les épicentres (c'est à dire des points à la vertical du lieu de rupture que l'on appelle le foyer sismique (ou hypocentre)), on constate que les séismes ne sont pas répartis au hasard à la surface de la planète. Cette carte est le résultat d'une étude statistique sur une période de temps de 20 à 30 ans.

Noter que la magnitude du séisme est la grandeur qui caractérise l'intensité d'un séisme à son foyer. La notion a été introduite en 1935 par l'Américain Charles Francis Richter pour les séismes locaux californiens afin d'estimer l'énergie libérée au foyer d'un tremblement de terre et pouvoir ainsi comparer les séismes entre eux. L'estimation de la magnitude locale est relativement simple : il s'agit du logarithme de l'amplitude (A) de l'inscription d'un sismographe étalonné (amplitude maximale des ondes P), compte tenu de sa distance à l'épicentre (D). Par définition, lorsque A=1 mm pour D=100 km, la magnitude vaut 1. La magnitude est exprimée sur l'échelle ouverte de Richter.

Cette répartition forme des lignes qui délimitent des ensembles relativement stables tectoniquement, il n'y a pas de cassure ou fracture ou peu. On peut distinguer 12 zones relativement et statistiquement stables, à la fois océaniques et/ou continentales, qui forment des plaques. Les séismes se produisent à la jonction, au frontière de ces plaques. A partir de cette connaissance cartographique et sismique, on peut donc prévoir ou estimer des zones à risques pour les populations en fonction des régions du globe. On peut avoir des zones très actives et des zones moins actives, en mettre en relation avec la densité de population pour faire une estimation des risques.



Movement of body waves away from the focus of the earthquake. The epicenter is the location on the surface directly above the earthquake's focus.
Source: PhysicalGeography.net

Dans le détail, l'étude des séismes permet de distinguer différents types de rupture :

  • des ruptures liées à l'écartement des plaques (zone de divergence lithosphérique)
  • des ruptures liées au rapprochement des plaques (zone de convergence lithosphérique)
  • des ruptures liées au glissement horizontal des plaques (zone de mouvement transformant; comme en Californie)

 

Quand les plaques ont la même densité, leur rencontre forme des montagnes aux zones d'affrontement. Quand une des plaques à une densité plus élevée que l'autre (une plaque océanique par exemple), les plaques se superposent dans des zones de subduction.

L'énergie qui permet ses mouvements de plaques est produite par la radioactivité du manteau terrestre, qui décroit depuis le début de l'histoire de la planète Ce manteau est chaud, solide et subit des mouvements lents qu'on appelle de convection. Depuis le début de l'histoire de la Terre, il y a 4,5 milliards d'années, l'énergie radioactive interne du manteau de la Terre diminue, ce qui signifie que les mouvements des plaques ralentissent progressivement.

Au début de l'histoire de la Terre, le visage de la surface de la planète et la disposition des continents et des océans étaient différents. Il y a évolué au cours des temps géologiques. Par exemple, il est possible de reconstituer la position des continents il y a 255 millions d'années, tous alors regroupés en un super continent qu'on appelle la Pangée.

Le modèle de la tectonique des plaques, comme tout modèle, permet de faire de la prévision de l'évolution de la surface du globe et de la répartition des continents, comme le montre la carte de Scotese à +50 millions d'années (ci-dessous) :


Vast deserts covered western Pangea during the Permian [...]. 99% of all life perished during the extinction event that marked the end of the Paleozoic Era.
Source: PALEOMAP Project, Christopher R. Scotese


If we continue present-day plate motions the Atlantic will widen, Africa will collide with Europe closingthe Mediterranean, Australia will collide with S.E. Asia, and California will slide northward up the coast to Alaska.
Source: PALEOMAP Project, Christopher R. Scotese

EXERCICE : les risques sismiques en France

Carte nationale d’aléa sismique
Source : Plan national Séisme, 2005


Cartes de la sismicité de la France
(magnitude > 2) sur la période 1980-2010
Source : Bureau Central Sismologique Français

La répartition de la population en France
(Photographie de la luminosité)



  1. Nommer les principales régions sismiques et asismiques de le France métropolitaine
  2. Dénombrer le nombre de séismes de magnitude supérieure à 4,9 entre 1980 et 2010
  3. Comparer les cartes de la sismicité et des reliefs. Associer à chaque région sismique un élément de relief. Commenter.
  4. Comparer les cartes de la sismicité et de la répartition de la population. Nommer deux régions à risque sismique fort. Qualifier le risque sismique en Bourgogne et en Corse.

EXERCICE : la formation d'un tsunami et le tsunami du 26 décembre 2004 dans l'Océan Indien (calcul de la vitesse de propagation de l'onde)
Site de remédiation SVT Collège, Académie de Dijon : Base d'exercices réalisée par des professeurs de SVT de collège, sous la direction de l'IA-IPR de SVT. A ce jour, elle contient 1625 exercices, de la 6ème à la 3ème.

Remarques sur les risques sismiques et tsunami :

1. En fonction de ces mouvements, on estime que de l'énergie s'accumule à la frontière des plaques et les roches se déforment de manière élastique jusqu'à leur seuil caractéristique de rupture. Lorsque la rupture se produit dans un océan ou à proximité, la masse d'eau subit une déformation qui se propage sous forme d'ondes à l'origine d'un tsunami, dont on peut prévoir le temps d'arrivée sur les côtes. voir Dossier Lycée (seconde) sur le séisme de Sendaï (Japon), magnitude 9, le 11 mars 2011

2. Leçons d'humilité vis à vis de l'évaluation des risques sismiques...

Dans une région donnée, on a longtemps cru que l'étude de la sismicité historique et de la magnitude des séismes permettait d'estimer le retard sismique dans la région. Dans cette région, si les mouvements continuent avec la même intensité et dans la même logique directionnelle, mais sans séisme, alors on pouvait considérer que le risque de rupture violente était fort....

We still have much to learn about earthquake triggering...
A spate of huge earthquakes in the past seven years has provided humbling lessons [...] we must allow for the possibility of larger earthquakes in regions where we thought that potential did not exist. That is one difficult lesson that we can consider learned.

From Thorne Lay (2012). Why giant earthquakes keep catching us out.
Nature, vol. 383, 08 March 2012, p.149-150.

Most of the devastation seen after the magnitude-9.0 earthquake that struck Japan on 11 March was caused by the subsequent tsunami wave, which has left thousands dead. The tsunami was the largest ever measured in the open ocean by the US National Oceanic and Atmospheric Administration (which tracked its spread across the Pacific Ocean, pictured). According to local reports, the tsunami reached more than 10 metres in height when it hit Japan’s Sanriku coast barely 30 minutes after the quake. Along flat coasts, it spread hundreds of metres inland, with waves high enough to flow over concrete sea walls supposed to protect infrastructure. Thanks to the wave’s long travelling time across the Pacific Ocean, and a sophisticated early-warning system, it caused only minor damage elsewhere around the Pacific [...]

d'après Quake causes waves of destruction, vol. 471, 17 March 2011, p.271.

If you are under the impression that there have been an unusual number of horrific earthquakes of late, often contradicting scientific expectations, you are correct. The rate of occurrence of ‘great’ earthquakes — those of magnitude 8 or larger — since December 2004 is about 2.5 times the average rate over the preceding century. Five quakes of magnitude 8.5 or greater have struck since the magnitude-9.2 Sumatra–Andaman earthquake on 26 December 2004 [...]

The record over the past 110 years suggests that such spates of activity may be a statistical fluctuation. [...] from 1950 to 1965, Earth was wracked by seven earthquakes of magnitude 8.5 or greater, including the largest yet recorded — magnitude 9.5 in Chile in 1960. [...] Population growth means that more people are now, and will be, exposed to earthquake hazards than during 1950–65 [...].

The recent great earthquakes have all hit near subduction zones: regions in which oceanic plates are diving under other plates.Here, friction causes sticking and slipping of the rocks that results in intermittent earthquakes. Geophysicists thought that in certain regions of these plate boundaries, warm rock or slippery sediments should prevent the build up of friction enough to avoid a large quake. We thought that regions that had ruptured recently wouldn’t rupture again for years, and that segments where a long time had passed since the last big event were most likely to slip in the near future. We under-estimated the extent to which one earthquake can trigger another [...]

There is no straightforward theory that predicts how often or when such a great aftershock might occur. [...] earthquakes have brought sobering lessons about our ability to issue early warnings. Some researchers have argued that quakes grow from an initial rupture that has some kind of signature indicating how large the final rupture will be. Recent earthquakes have undermined that hope. [...]

Re-evaluation of risk assessments for other areas where ridges are subducting, from Peru to Tonga to Vanuatu, is under way. [...] We must now consider this type of event in risk assessments, because it shows that large tsunami-generating events could happen nearer to the ocean trench than previously thought. [...]

Unfortunately, we often advance our understanding of earthquakes through bitter experience. But progress is being made [...].Part of the solution is a wider spread of instrumentation [...] A major effort is under way to improve our understanding of great-earthquake risk off the coasts of Oregon and Washington in the United States, where a magnitude-9 earthquake last struck in 1700.

III. Tectonique des plaques et risques volcaniques

La répartition des volcans terrestres et sous marins à la surface du globe montre des bandes de répartition ayant la même organisation que la répartition des séismes. Cette corrélation révèle l'existence d'une logique explicative liée à l'existence de plaques aux frontières desquelles se répartissent ces phénomènes.

Les deux-tiers des volcans terrestes sont situés autour de l'océan Pacifique ("ceinture de feu" ou "Pacific Ring of Fire"), dans les zones de convergence avec subduction (ici une subduction liée à des vitesses de rapprochement de l'ordre de 10 cm/an révélées par données GPS). Ici le dynamisme éruptif est explosif, avec des magmas visqueux et riches en gaz, à l'origine de nuées ardentes (mélange de gaz, de blocs de roches et de cendres, à 350°C) et émises à des vitesses puvant aller jusqu'à 400 km/h, en fonction de la pente de l'édifice et de la compostion chimique de la lave. La lave visqueuse réalise le plus souvent un dôme de roches par solidification de la lave visqueuse et ces volcans sont parfois qualifiés de volcans gris.

Voir la vidéo Dome collapse and pyroclastic flow at Unzen Volcano (Japan)

Voir BBC News, 13 May 2012, by David Shukman, Science editor
Rise (79.1 m) and fall (18.8 m ) of Monowai underwater volcano revealed, using seismic detectors and sonar, in Pacific Ocean, near Tonga subduction zone
As many as 32.000 underwater volcanic mountains around the world, the potential to create a tsunami exists, if quicker landslide occurs...

Remarque : un dynamisme éruptif explosif est parfois lié à un phénomène phréatomagmatique, par la rencontre des fluides magmatiques à 1000°C avec de l'eau liquide ou solide (cas de l'Islande en avril 2010). Dans le Massif Central, c'est l'explication probable de la formation du lac Pavin


Dans les zones en extension (cas de la dorsale de l'océan Atlantique, avec une divergence de 5cm/an ou cas du Pacifique dont l'écartement se fait à 10cm/an), le dynamique éruptif est essentiellement effusif, avec l'émission de coulées magmatiques fluides à 1000°C environ, contenant peu de gaz (vitesse d'écoulement de 10 à 50 km/h en fonction de la pente de l'édifice et de la compostion chimique de la lave). Il y a mise en place d'un édifice par accumulation progressive et successive de coulées. On parle parfois de volcans rouges.

EXERCICE : La cristallisation par refroidissement d'un magma silicaté : A l'aide des documents suivants, établir une relation entre la vitesse de refroidissement et la taille des cristaux dans une roche volcanique (résultant de la cristallisation en surface d'un magma).



Site SVT de l'académie de Versailles

Sir JAMES HALL (1761-1832) in Myriam COHEN, Encyclopedia Universalis en ligne
Voir aussi James Hall et la modélisation des plissements, site CNRS

Géologue écossais fondateur de la géologie expérimentale, James Hall, né à Dunglass, fait ses études à l'université de Cambridge, puis à l'université d'Édimbourg où il devient l'ami de J. Hutton. Voulant vérifier les théories de ce dernier sur l'origine des roches, il tente de reproduire celles-ci expérimentalement et il réussit ainsi à obtenir, par refroidissement d'un mélange fondu, de la dolérite, puis il réalise un marbre à partir de roches carbonatées. Au cours de ces expériences, il est amené à poser le rôle de la température comme facteur important dans la genèse des roches magmatiques. Le résultat de ses expériences fut exposé devant la Société royale d'Édimbourg [...]

Q1. définissez les conditions de fabrication d'un verre, la caractéristique cristallographie d'un verre et à partir des expériences de Hall, le lien avec la vitesse de refroidissement du mélange sable-CaCO3-Na.

 

Q2. Les expériences sur la cristallisation de la vanilline sur une lame de verre mise au contact de l'air puis au contact de la glace. Commentez les résutlats.

Q3. La structure cristalline d'une coulée de lave sous marine (ou aérienne), au centre et en bordure.

Il existe également un volcanisme intraplaque, le plus souvent effusif, comme dans le cas de la Réunion ou Hawaï. Ces volcans, dont la distribution est géographiquement ponctuelle, sont qualifiés de volcan de point chaud.

Comment expliquez l'existence de ces deux mécanismes éruptifs ?

EXERCICE : Schématisez le dispositif suivant, légendez-le en indiquant ce qu'il représente par rapport à la réalité et ce que l'on tente de démontrer. Que permettent de conclure les résultats de cette expérimentation concernant le dynamisme effusif et explosif ?


Comme le comprit très bien l’abbé italien Spallanzani (1729-1799), à la fin de XVIIIème siècle, deux cas doivent être distingués selon la viscosité du magma. Dans le cas d’un magma fluide, très peu visqueux, les gaz font remonter le magma et ils s’échappent facilement ; l’éruption prend un caractère effusif avec des fontaines et des coulées de lave plus ou moins longues avec quelques projections de « bombes ». Par contre dans le cas d’un magma épais, visqueux, les gaz en faisant remonter le magma s’échappent difficilement. La lave a du mal à s’évacuer, elle forme un Dôme qui bouche plus ou moins le cratère. Les bulles de gaz s’accumulent en dessous, pouvant provoquer des explosions violentes
. D’après Pascal Richet, Guide des volcans de France, Belin-BRGM, 2003, in AlonSVT.

Comment expliquer les différences de viscosité des laves, en relation avec le contexte géodynamique (subduction, magma visqueux, et explosion, dorsale, magma fluide et effusion) ?
voir aussi : La chimie des laves (SiO2) et les gaz (H2O et CO2) contrôlent donc la dynamique éruptive... C. Verati, Université de Paris

L'explication est liée au degré de fusion partielle des roches mantelliques solides, à l'origine de magmas de composition chimique et donc de viscosité différente. Et ce degré de fusion partielle, compris entre 5 et 20% généralement, est à son tour liée à la profondeur de cette fusion, différente pour chaque contexte (mais aussi du degré de différentation des laves en profondeur (cristallisation fractionnée).

Dans les zones de divergence, il se produit un dépression superficielle, à l'origine de la fusion partielle des roches mantelliques de 20%: il y a effusion de laves fluides. Dans les zones de subduction, il se produit une hydratation en profondeur des roches mantelliques encaissantes, à l'origine d'une fusion partielle et de la production d'un magma visqueux. Enfin, sous les points chauds, des remontées de roches solides mantelliques chaudes augmentent localement la température des roches encaissantes, ce qui génère également une fusion partielle d'origine profonde (100 km de profondeur) et de l'ordre de 5%.

Rajouter le schéma d'Adolphe Nicolas sur la fracturation hydraulique des magmas

Les éruptions volcaniques sont précédées de signes précurseurs, quelques mois à quelques jours avant l'éruption. Par surveillance scientifique et instrumentale de l'édifice, il est possible de détecter une évolution de l'activité du volcan, avec trois types de signes précurseurs : augmentation de la fréquence et de l'intensité des séismes dans la région; déformation de l'édifice avec gonflements (détectable avec une clinomètre par exemple ou un dispositif GPS), éboulements et fracturation de la surface; et enfin changement de l'activité de dégazage dans sa chimie, son intensité, sa température et /ou sa localisation.

Pour prévenir les risques, qu'ils soient volcaniques ou sismiques d'ailleurs, les autorités mettent en place trois stratégies : l'éducation et l'information des populations, la surveillance et l'appareillage scientifique de l'édifice et un aménagement du territoire et des édifices adaptés au risque.

EXERCICE : Les risques volcaniques dans la région Etna


Carte de l'éruption latérale de 1991-93 - doc. INGV Catania : Situation de l'action en mai 1992, à gauche, et de la barrière, au centre droit - la coulée s'est arrêtée près de Zafferana.

D'après le site de Dominique Decobecq :

Après quelques mois de repos, l'Etna entre de nouveau en activité le 14 décembre 1991. Commençe la plus longue éruption de l’Etna du XXe siècle (473 jours).

— Le 25 décembre les coulées de lave menacent le village de Zafferana et son approvisionnement en eau.
Des bulldozers mettent en place des digues en terre afin de dévier la coulée et de protéger les habitations. La police installe des barrages pour décourager les curieux.
— Le 29 décembre. Le front de lave mesure 400 m de large et 10 m de haut. Une partie des structures d'approvisionnement en eau sont ensevelies. Des vergers sont menacés. On évacue quelques maisons isolées. Le débit journalier de la lave est estimé à 1 million de m3.
Les habitants de Zafferana s'inquiètent car la lave s'épanche de façon souterraine, dans des tunnels de lave ce qui conserve sa température et sa fluidité et lui permet de s'écouler très loin.
— Le 31 décembre elle descend jusqu'à 1 250 m d'altitude.

Face à cette menace les autorités prennent la décision de construire une immense digue de terre.
— Le 3 janvier le front de lave descend jusqu'à 1 000 m.
En janvier et en février l'activité de l'Etna se maintient ; les coulées de lave s'écoulent toujours dans des tunnels de lave et ressortent un peu plus loin.
En mars, les coulées arrivent à 800 m d’altitude. Heureusement, elles se superposent et ne vont pas plus loin.
Le 8 avril, la lave passe au-dessus du barrage construit durant le mois de janvier. Quelques jours plus tard la lave avance et, après avoir franchi d'autres barrages édifiés en toute hâte, atteint la côte de 750 m d'altitude.
— Le 9 mai la lave s'écoule rapidement et avance sur des vergers. Les habitants de Zafferana accusent l'état italien d'incompétences ; nous sommes en période électorale.
Les habitants d'un autre village, Milo, expriment leur mécontentement : ils ont peur que la coulée déviée descendent sur leur territoire. Les écologistes ont un autre avis, pour eux, lors d'une éruption la coulée de lave doit s'épancher naturellement sans aucune intervention de l'homme.
Les volcanologues imaginent d'autres moyens que les barrages et proposent d'endiguer la coulée à sa source. Des bulldozers essayent d'entamer le bord du tunnel, puis, des artificiers font sauter avec de la dynamite la paroi restante mais le chantier est perturbé par d'autres coulées de lave. Des hélicoptères de l’armée américaine tentent d'obstruer le tunnel de lave en amont. Une ouverture est alors réalisée dans la voûte du tunnel principal. Les hélicoptères déposent près du bord des blocs de béton d'une tonne. Ceux-ci sont ensuite enchaînés les uns aux autres. Puis les techniciens essayent de les faire tomber à l'intérieur du tunnel de lave pour le boucher.
Mais rien n'y fait l'Etna continue d'épancher ses laves. L'éruption s'arrêtera après plus d’un an d'activité le 30 mars 1993.
Camions, pelleteuses, créations de pistes, hélicoptères, abattage d'arbres, déplacement de beaucoup de terre...autant de nuisances crées par l'Homme, qui somme toute, sont peut être plus dévastatrices que la coulée elle-même et sans doute beaucoup plus coûteuse !!!



Auteur : Alain De Goër de Herve

Collection : Itinéraires De Découverte Régionaux
Édition : Ouest-France - Edilarge
Format : Papier (livre entier)
Parution : 19 mars 1997

EXERCICE : Les volcans d'Auvergne sont-ils surveillés ?

La dernière éruption volcanique en Auvergne ne remonte qu’à 7000 ans... C’est peu à l’échelle des temps géologiques. Le puy de Dôme ne se réveillera pas, mais la création future de quelques nouveaux volcans est une quasi-certitude. Si l’agglomération de Clermont-Ferrand n’est pas à l’abri, l’éventualité concerne aussi des régions moins peuplées, comme le Cézalier ou le Bas-Vivarais. Dans ce livre, un scientifique vous explique comment on peut évaluer les aléas, et quels seraient les risques encourus selon les divers scénarios raisonnablement envisageables.

 

EXERCICE : Un volcan allemand menace-t-il l'Europe ?
Le Figaro.fr, 04/01/2012

EXERCICE : Education aux médias :
Volcan de la Fournaise (Ile de la Réunion)

« ... Le volcan La Pétée à la Fournaise est rentré en éruption à 19H10 précisément. A peine quelques minutes plus tard, nous étions les premiers à vous révéler cette information. Après 9 mois de sommeil et plusieurs fausses alertes le spectacle est une fois de plus grandiose. Patrick Smitt et Gilles Lallemand. »

« Le grondement du volcan est assourdissant, la lave est projetée à plus de 25 mètres de haut. Une heure ce matin, la caméra de David Cigale enregistre pour vous les premières images de l'éruption du Piton de la Fournaise. Un peu avant 19H30 hier soir une faille de 400 mètres de long s'est ouverte en contrebas du Château Fort : 4 bouches éruptives alimentent des coulées qui se dirigent vers les pentes du Grand Brûlé. »

 

La synthèse commentée de Philomène (juillet 2012)

LES VOLCANS

D'après le dictionnaire de géologie (Foucault et Raoult, 6eme édition, Dunod), un volcan est un lieu où des laves (magma en fusion) et des gaz chauds atteignent la surface terrestre (ou celle de la Lune, ou d'autres planètes comme Venus ou Mars), soit à l’air libre, soit sous l’eau. Par refroidissement, ces laves donnent des roches volcaniques (ou roches effusives). L'aspect d'un volcan et les caractéristiques de ses éruptions dépendent de la composition chimique de la lave et de sa teneur en gaz. Un volcan peut-être en activité permanente ou discontinue, à l'échelle humaine ou à l'échelle des temps géologiques. Certaines zones volcaniques sont dites éteintes lorsqu'aucune manisfestation volcanique directe ou indirecte n'a été détectée depuis plusieurs millénaires.

Différents types d'éruptions volcaniques.

Une éruption volcanique, c'est la remontée du magma à la surface par l'intérmédiaire de fissures débouchant parfois sur des cratères. Les éruptions peuvent être de types effusives (pour les volcans qualifiés par certains de volcans rouges en raison de larges épanchements de laves) ou explosives (pour les volcans qualifiés de volcans gris en raison des épaisses fumées et poussières éruptives). Ces différents dynamismes éruptifs sont en relation avec la composition chimique de la lave et sa teneur en gaz dissous.

  • Si elle est riche en silice, elle est qualifiée de lave acide, et elle est visqueuse et ne permet pas l'évacuation des gaz dissous, créant une sorte de bouchon, qui entraîne une éruption explosive.
  • Si elle est pauvre en silice, elle est plus fluide et entraîne une éruption effusive où la lave s'écoule sur les flancs du volcan.

Un volcan n'est pas forcément que explosif ou effusif. Il peut être les deux. Les éruptions explosives se caractérisent par des projections (cendres et blocs), des coulées peu étendues (voire pas du tout), et parfois des nuées ardentes ( = grand volume de gaz brûlants à très forte pression transportant, à la suite d’une violente explosion, des masses considérables de débris de lave (des cendres aux blocs) et se déplaçant à grande vitesse (100 km/h et plus). Les roches magmatiques déposées sont des ignimbrites qui peuvent en quelques minutes ou quelques heures couvrir des surfaces de plusieurs dizaines ou centaines de km 2). Dans ce cas, le volcan est en forme de dôme, d'aiguille ou de cratère. Les éruptions effusives se caractérisent par quelques projections et fontaines de laves, des coulées étendues, la forme du volcan est un cône mixte ou un cratère, ou bien un cône très abaissé.

3) Origine du magma et de la lave.

Le magma prend naissance localement dans le manteau supérieur du globe terrestre par une fusion partielle de roches mantelliques (de nature péridotitique). Sous l'effet très local d'une augmentation de température, d'une baisse de pression et/ou d'une hydratation, les roches subissent une fusion partielle et les liquides produits, de densité plus faible que les roches encaissantes, remontent en fissurant l'encaissant. Ces liquides peuvent d'accumuler en profondeur (formant des réservoirs de magma) ou arriver jusqu'à la surface en fracturant les roches. En se solidifiant au contact de l'air ou de l'eau, la roche produite est un basalte, dans le cas d'un magma peu acide (lave fluide et éruption effusive), ou une andésite dans la cas d'une lave visqueuse (éruption explosive).

4) Déclenchement d'une éruption volcanique.

De multiples facteurs entrent en jeu : la présence de failles, la nature du magma, les gaz, la présence de réservoirs, les variations de pression et de température peuvent entrainer une éruption. La fracture entraine une dépressurisation lâchant les gaz et une remontée du magma. (un peu comme lors de l'ouverture d'une bouteille de champagne).

Les convergences ou les divergences des plaques entrainent la formation du magma, par des variations locales de pression, de température et d'hydratation au sein de roches mantelliques.


Les volcans actifs des Antilles, dont la Montagne Pelée en Martinique
(volcan explosif, en forme de dôme)
source : Site Mount-pelee.com


Stromboli (
Italie), volcan effusif & explosif, possédant un cône mixte
Source : Carole Darchy, mars 2011


Kilauea, volcan effusif de l'archipel d'Hawaï, ayant une forme aplatie
Source : Site perso d'étudiants de première S


LES SEISMES

Un séisme est une secousse ou série de secousses plus ou moins violentes du sol. Leur origine se trouve en profondeur, à l’hypocentre ou foyer du séisme. L’épicentre est le point de la surface situé à la verticale du foyer. Selon la profondeur de ce dernier, on distingue les séismes superficiels à moins de 100 km, intermédiaires de 100 à 300 km, profonds de 300 à 700 km (il n’y en a plus au-delà en relation avec le comportement élastique des matériaux au delà de cette profondeur). La cause généralement invoquée à l'origine d'un séisme est la relaxation de contraintes profondes (rebond élastique) se manifestant par un glissement de deux blocs le long d’un plan de faille (ce jeu s’appelle mécanisme au foyer).

1. Origines des ondes sismiques : rupture des roches en profondeur.

Un séisme est une rupture des roches qui s'accompagne de l'émission d'ondes. Les roches en profondeur subissent des contraintes liées à des mouvements de convergences ou de divergences, cela finit par entraîner une rupture local en un point appelé foyer du séisme. La propagation des ondes fait trembler le sol en surface et conduit à la formation de failles.

Il y a trois types d'ondes qui sont libérés par les séismes. Les ondes P, les ondes premières, très rapides font trembler et sont des ondes longitudinales, dans le sens de la propagation. Les ondes S ou secondes (qui ne se propagent pas dans les liquides) sont particulièrement destructrices car elles se déplacent de façon « perpendiculaire » à celles de propagation. la différence des temps d’arrivée des ondes P et des ondes S suffit, connaissant leur vitesse, à donner une indication sur la distance du séisme à la station d'enregistrement. Les ondes L de Love, qui ne sont pas des ondes de volume (comme P et S) mais des ondes des ondes de suirface, sont plus lentes.

2. Intensité et puissance d'un séisme.

Pour déterminer l'intensité d'un séisme, on utilise des échelles de mesure. L'échelle MSK (précisant l’ancienne échelle de Mercalli), comprend 12 degrés allant de la secousse non-perceptible humainement à celle modifiant la topographie. Elle se fonde sur les dégâts constatés. Le degré 1 correspond donc à une secousse seulement détectée par les instruments, les dégâts matériels ne sont importants qu’à partir de 8, et 12 caractérise une catastrophe. L'échelle des magnitudes se fonde sur l'enregistrement des ondes sismiques par des sismographes. Elle permet de déterminer la puissance d'un séisme, c'est-à-dire l'énergie qu'il libère à l'épicentre.


LES PLAQUES LITHOSPHÉRIQUES ET LEURS MOUVEMENTS

I. Localisation comparée des séismes et des volcans.

Volcans et séismes sont localisés dans les zones actives du globe terrestre. Les séismes sont généralement situés au niveau de fosses océaniques, des dorsales océaniques et chaînes de montagnes. Le volcanisme continental se trouve dans les mêmes zones géographiques que les séismes continentaux et aux bordures des continents. Le volcanisme océanique se trouve au niveau des dorsales océaniques.

A noter le volcanisme de point chaud : Certains volcans, à l'inverse ne font pas partie de cette dynamique des zones actives terrestres, comme les volcans d'Hawaï. On parle alors de volcanisme de point chaud car issus d'une anomalie thermique d'origine profonde, sans lien direct avec la tectonique des plaques lithosphériques.


Animation permettant de superposer les cartes des séismes et volcanisme pour mettre en évidence les plaques tectoniques
Animation réalisée par claude Perrin, site biologie en flash

Voir aussi le site collège Jean Vilar Sciences

II. Un modèle expliquant la dynamique de la lithosphère.

1) La notion de plaque lithosphérique

C'est l'enveloppe externe du globe. Elle est solide, comme toutes les autres enveloppes du globe mais rigide. Elle est composée de la croûte terrestre qui a des parties océaniques et continentales et du manteau supérieur. Elle repose sur l’asthénosphère (ou manteau inférieur) moins rigide. La lithosphère forme des plaques lithosphériques se déplaçant les unes par rapport aux autres.

Aux frontières de ces plaques apparaissent des chaines de montagnes, des dorsales ou des fosses océaniques, qui sont des zones actives du globe. Le globe comporte 12 plaques aux tailles variées, qui sont soient océaniques, soient continental-océanique.

2) Les mouvements des plaques

Il existe 3 mouvements de plaque : divergents, convergents ou coulissants (faille de San Andreas, Californie). Les plaques divergent au niveau des dorsales océaniques (zone en extension) et convergent aux autres frontières (montagnes et fosses).

  • Divergence au niveau des dorsales : Quand deux plaques s'écartent, du magma fluide et basique est produit par dépression et remonte à la surface. Il renouvelle le fond océanique en «expansion » ; Mais s'il y a augmentation de la surface océanique au niveau des dorsales, il faut disparition ailleurs. Cela se produit alors au niveau des fosses océaniques ou zones de subduction.
  • Convergence dans les zones de subduction : La divergence produite au niveau de la dorsale s'accompagne d'un enfoncement de la plaque océanique, plus dense, sous la plaque continentale, ou une autre plaque océanique plus légère ! La plaque océanique disparaît dans le manteau au niveau d'une zone de subduction. Elle se déshydrate alors, ce qui provoque Il y a la fusion partielle des roches mantelliques environnantes. Le magma produit, de nature visqueuse, remonte et provoque des éruptions explosives, accompagnées de séismes.
  • Convergence dans les chaines de montagne : Deux plaques lithosphériques de nature continentale, peuvent entrer en collision, et former une montagne (exemple de la chaine des Alpes). Ayant la même densité, l'une ne peut passer sous l'autre. Il se produit de nombreux chevauchements, et des plissements. Ce raccourcissement est associé un épaississement local de la lithosphère.

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