Manuel
scolaire en ligne
ACCOMPAGNEMENT DU PROGRAMME DE SVT
Classe
de SECONDE GENERALE
Année 2010-2011
Dernière mise à jour : 2 avril, 2012
Capacités
et attitudes à développer
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BO spécial n° 4 du 29 avril 2010 : En italique des extraits : Les sciences de la vie et de la Terre sont une discipline ouverte sur les grands problèmes de la société contemporaine. Les nombreuses connexions avec les objectifs éducatifs transversaux (éducation à la santé, à l'environnement, etc.) seront mises en évidence le plus souvent possible. PROPOSITION DE PROGRESSION A DISCUTER ! |
Thème
3 : |
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Thème 1 : Les enjeux planétaires contemporains
Il
s’agit de montrer comment la discipline participe à l’appréhension
rigoureuse de grands problèmes auxquels l’humanité
d’aujourd’hui se trouve confrontée. Au-delà
de la préoccupation citoyenne qui prépare chacun à
l’exercice de ses responsabilités individuelles et collectives,
la perspective utilisée ici conduit aux métiers de la
gestion publique, aux professions en lien avec la dynamique de développement
durable et aux métiers de l’environnement (agronomie, architecture,
gestion des ressources naturelles).
On s’intéresse ici à
certains aspects de la question énergétique ainsi qu’au
défi que représente, en matière de ressources en
sol, le développement d’une agriculture qui répond
aux besoins de l’humanité.
Introduction : La croissance démographique place l’humanité face à un enjeu majeur : trouver et exploiter des ressources (énergie, sol) tout en gérant le patrimoine naturel, mais également la diversité des dimensions sociales et économiques des développements humains.
DM n°1 - Activité convergences - Géographie (voir également DM n°2 de fin de thème) Sur
le site de l'Institut
national d'études démographiques, Biraben (2003)
donne une évaluation de l'évolution de la population
mondiale depuis -400 avant Jésus-Christ et une projection
jusqu'à 2050. |
I. Le charbon, une ressourge énergétique épuisable ?
On distingue deux types de charbon : charbon de bois (du barbecue) et le charbon de roche. Discuter ici des conséquences écologiques et économiques de l'utilisation de l'une ou l'autre de ces ressources combustibles énergétiques.
A. Etude d'échantillons de charbon
Travaux pratiques n°1 : Des traces étranges dans des échantillons de charbon d'une mine de Saint-Etienne
1- A partir des 5 fragments disponibles, réalisez 5 dessions d'observation des motifs géométriques présents à la surface des échantillons (dans un rectangle d'au moins 10 cm de côté). Soyez attentif à la géométrie du motif et indiquer son échelle sur votre dessin.
 Sigillaria |
 Pecopteris |
 Alethopteris |
 Lepidodendron |
 Calamites |
Collection
lycée Marcel Sembat, Vénissieux Photographie : B. Urgelli, 2010 |
2- Inscrivez le nom donné par les scientifiques à ces
motifs. Proposer une hypothèse expliquant l'origine de ces motifs
géographiques. Le professeur pourra revenir sur l'origine éthymologique
des noms pour éveiller la curiosité et le débat
(exemple : pteris vient du grec pteris [fougère]
dérivé de pteron [plume, aile]).
3 - Allez sur internet pour trouver ce que sont ces traces d'après
les scientifiques.
4- Ces motifs proviennent tous d'une même mine de charbon. Les géologiques estiment qu'elles ont le même âge. A l'aide de l'échelle des temps géologiques illustrés, déterminer quelle est la fourchette d'âge attribuée à ces motifs. Relever le nom donné à cette période géologique. Le professeur précisera les incertitudes de datation et répondra à la terrible question "comment le on sait ?"
5- Les géologues ont colorié sur la carte de la France les affleurements de roches charbon de cette période avec les lettres h1, h2, h3. En utilisant la carte géologique de la France, coloriez sur votre fond de carte de france sur laquelle sont indiqués quelques grandes villes françaises (vous préciserez où se trouve Lyon, Grenoble, Chambéry, Saint Etienne, Clermont-Ferrand, Marseille et Paris) les régions où l'on trouve des roches (répartition des gisements en France).
 Carte géologique de France 1/1.000.000 (éditions 2003) |
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 Carte des principaux gisements de roches combustibles dans les années 1970 |
BILAN : Des traces formées au Carbonifère dans une roche combustible, donc riche en matière organique***, qui affleure dans certaines régions de France. Votre recherche internet révèle que ce serait des empreintes d'organismes végétaux anciens.
Comment savoir à quoi ressemblaient ces végétaux ?
B. Des végétaux actuels qui ressemblent aux traces fossiles
Travaux pratiques n°2 : Des traces qui ressemblent à des empreintes d'organismes végétaux actuels récoltés à la surface du sol d'une forêt tempérée ...
 Photographie : B. Urgelli, 2010 |
Au
col de la République (alt. 1 161 m), dans une forêt
de Conifères des monts du Pilat, au dessus de Saint Etienne,
il est possible d'observer des végétaux dont l'appareil
végétal ou reproducteur est ornementé de
motifs géométriques (fougères, extrémités
de branches et cônesde sapins).
Lorsque ces végétaux tombent sur le sol, au fil des saisons, que deviennent-ils ? du charbon ? Pourquoi ? 1- Observez et dessinez les motifs géométriques à la surface des échantillons récoltés. 2- Comparez avec les motifs géométriques à la surface du charbon stéfanois. Que peut-on dire de ces fragments locaux de biodiversité actuelle et passée **** ? 3- Observez et dessinez les échantillons de sol récoltés dans la forêt ? Que deviennent les fragments végétaux observables ? Utilisez la loupe binoculaire. |
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BILAN : Des végétaux actuels qui ressemblent aux traces fossiles mais avec des formes différentes, signes d'une évolution des espèces au cours des temps géologiques.
Exercice : sur la reconstitution
suivante d'une forêt française au Carbonifère, identifiez
ce qui peut correspondre à Pecopteris, Sigillaria, Lepidodendron
et Calamite...
Questions élèves
: on discutera des limites de la reconstitution de la taille de ces
arbres fossiles, en évoquant la question de la
modélisation et des incertitudes dans les estimations scientifiques
(on
propose par exemple des tailles comprises entre 20 et 30 mètres
pour Sigillaria... pourquoi cette fourchette ?)
mais également les
limites du principe méthodologique de l'actualisme !
 Comparaison de la biodiversité actuelle et passée dans une même région |
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 Ecorce de Lepidodendron et Tronc de Fougère arborecente actuelle |
 Tronc de Calamite et Prêle actuelle |
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BILAN : D'après les reconstitutions, une forêt de type tropicale au centre de la France, au carbonifère... Comment expliquer ces changements de conditions climatiques, à l'origine d'une évolution de certaines espèces végétales depuis 300 millions d'année ?
D'après le modèle de la tectonique des plaques, une dérive des continents par rapport à leur position actuelle pourrait expliquer les évolutions de BIODIVERSITE****, passées et à venir, sur des échelles de temps longs.
On
discute ici le principe méthodologique
de l'actualisme utilisé en paléogéographie
pour contrôler les reconstitutions possibles de l'histoire de
la Terre ("garde fou vis-à-vis des reconstitutions trop
spéculatives" et des reconstitutions fantastiques...)
en énonçant que "le présent est la clé
du passé [...] en raison de causes encore agissantes.
Conscient de ses limites et des incertitudes qui l'accompagnent (la
dynamique des plaques a-t-elle été et sera-t-elle toujours
comparable à celle actuellement décrite ?), ce principe
permet malgré tout de formuler des hypothèses explicatives
du passé et prédictives pour l'avenir (voir les cartes
de reconstitutions
PALEOMAP de Christopher R. Scotese). Mais c'est en raison de ses
limites que certains géologues du XIXè siècle ont
envisagé une forme élaborée de catastrophisme,
en supposant l'existence de causes de nature et/ou d'intensité
différente des causes encore agissantes [...] et
en déclarant que la nature actuelle ne contient pas toutes
les causes ayant existé.
Au final,
utilisé avec souplesse, il faut souligner aux élèves
que ce principe aide à penser scientifiquement l'histoire
longue de la Terre, à dégager un passé probable
d'une infinité de possibles. C'est donc un cadre
structurant en Sciences de la vie et de la Terre.
(Pour en savoir plus : Orange D. et Beorchia F. (2007). Principes
structurants et savoirs en sciences de la vie et de la Terre. Congrès
international 2007 sur l'Actualité de la Recherche en Education
et en Formation, p. 5-7).
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Reconstitution géologique de la surface du globe il y a 300 millions d'année (Carbonifère) (Site PALEOMAP de Christopher R. Scotese) |
Reconstitution géologique de la surface du globe dans 250 millions d'années (Site PALEOMAP de Christopher R. Scotese) |
Actuellement, les végétaux de notre forêt deviennent-ils du charbon ? Pourquoi ?
C. Les conditions de formation du charbon
C. 1. Le devenir ordinaire des végétaux à la surface du sol d'une forêt
 Forêt actuelle de Conifères des Monts du Pilat |
 Reconstitution d'une forêt tropicale de Fougères arborescentes au Carbonifère |
 Echantillons de végétaux et de sol de la forêt des Monts du Pilat |
Travaux pratiques n°3 : Pour répondre à la question de l'origine du charbon, on observe un échantillon de sol de forêt pour tenter de comprendre ce que deviennent les végétaux (fougères, tronc d'arbre...) qui se retrouvent à la surface du sol.
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On travaillera sur les différents horizons d'un échantillon de sol d'un forêt de conifères du Massif Central... 1- Prélevez puis observez à la loupe binoculaire un fragment de litière, un fragment d'humus (équivalent du terreau diront les élèves, ceux de sixième en tout cas...) et l'horizon minéral du dessous qui surmonte les roches du sous-sol... 2- Comparez la constitution de ces différents horizons. 3- Proposez un schéma explicatif, temporel si possible, à l'origine de ces différents horizons, sur une coupe de sol de forêt par exemple. |
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Donc pas de charbon "à l'horizon" dans les conditions climatiques tempérées de la forêt française de conifères. Et dans le sol d'une forêt en milieu tropicale ?
 Différents profils de sol, à comparer... (Site de Thomas B. Walter, Hunter College of the City University of New York) |
 Le sol d'une prairie au dessus des roches du sous-sol |
 Modélisation de la structure d'un sol de prairie tempérée |
Non plus !.... à cause de la décomposition et du recyclage rapide de la matière organique dans le sol de la forêt tropicale...
Travaux pratiques n°4 : Les décomposeurs et recycleurs du sol (cycle rapide du carbone)
Imaginons ensemble un dispositif d'extraction de la faune du sol, dans l'horizon humique... En partant des propositions techniques des élèves, et par les échanges, on tente de s'approcher du dispositif de l'entomologiste agronome italien Antonio Berlese (1863-1927).
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BILAN :
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Le sol**, lieu de biodiversité et de décomposition et de recyclage de la matière végétale grâce à l'activité métabolique des êtres vivants du sol. Il y a consommation de matière organique et de dioxygène pour produire de l'énergie et grandir, avec émission de dioxyde de carbone (respiration des sols). Ces êtres vivants contribuent à la minéralisation du sol et donc à sa fertilisation. Le sol est un lieu d'interaction entre l'ATMOSPHERE, la BIOSPHERE et la LITHOSPHERE.
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***** EVALUATION - DS n°1 *****
Cycle rapide du carbone dans le sol (photosynthèse**** et respiration sont définies comme des processus biologiques responsables d'une transfert d'énergie et de matière (minérale et organique) à travers notamment un cycle rapide du carbone au sein de la BIOSPHERE.
 Mycélium de champignon sur une feuille |
 Bactéries du sol |
 Flux de carbone dans le sol |
Photo
©Christian Le Gac |
Le
sol est vivant Le sol est plus souvent associé au
règne minéral qu'au vivant. Pourtant, il est lui-même
un produit de la vie patiemment élaboré pendant
des centaines et des milliers d'années. |
Définition de la matière organique : (d'après Bordas, SVT 6ème, 2005, p.91) : Composée essentiellement de carbone et d'eau [CH2O], la matière organique est aussi appelée "matière carbonée". Produite en général par des êtres vivants (végétaux, animaux, ou micro-organismes), la matière organique est souvent biodégradable, à la différence de la matière minérale, elle contient de l'énergie.
Comment a donc pu se former le charbon il y a 300 millions d'année et donc échapper à ce cycle rapide du carbone qui empéche son piégeage. Il faut un mécanisme naturel qui bloque les processus de décomposition et de recyclage du carbone organique...
Travaux dirigés n°5 : Proposer un modèle de formation du charbon, de l'affleurement à la lame mince
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A partir du texte extrait du manuel scolaire, identifier quatre conditions nécessaires à la formation de charbon, à partir d'une importante quantité de matière organique. Comment vérifier cette proposition explicative pour la formation du charbon ? Retour sur le charbon à l'affleurement... |
 Le gisement de Graissessac : une alternance de roches carbonées et de roches sédimentaires argilo-sableuses (source : site Planet-Terre, ENS Lyon) |
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Une roche détritique riche en matière organique fossile (= roche carbonée*** qualifiée de combustible fossile). Des conditions de formation particulière (d'où rareté des gisements...) avec piégeage et enfouissement rapide de matière organique dans un bassin sédimentaire. Une formation géologique lente (plusieurs dizaines de millions d'année) à l'abri du dioxygène.
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 Reconstitution d'un environnement probable pour la formation de charbon |
Remarque importante :
Analogie avec la formation d'une autre roche carbonée, le pétrole, à partir d'une grande quantité de végétaux microscopiques marins piégés dans un bassin sédimentaire océanique, et une transformation à l'échelle des temps géologiques. Comme c'est une substance liquide, il faut qu'elle soit bloquée par un roche imperméable (argile par exemple), après avoir migrée à travers une roche perméable (un sable par exemple).
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 schéma d'un gisement de pétrole avec piégeage dans un anticlinal d'argile (forage off-shore ou on-shore) |
D'où
un MODELE SCIENTIFIQUE DE FORMATION DES
GISEMENTS DES ROCHES CARBONEES : il constitue
une aide à l'exploration
de ces ressources énergétiques fossiles :
l'exploration se fera préférentiellement dans des paléoenvironnements
sédimentaires....
II. Les conséquences environnementales et géopolitiques de l'exploitation des roches carbonées comme combustibles fossiles
Contexte socioscientifique des années 1950 : reprise de la croissance économique et développement post-guerre, dépendant de la consommation d'énergie d'origine fossile. Crainte écologiste de pollution atmosphèrique et d'épuisement des ressources énergétiques fossiles. Demande sociale de surveillance et d'évaluation des conséquences de cette pollution (rapport Meadows, 1968, conférence de Stockhlom, 1972)
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TD n°10 : Analyse qualitative et quantitative de la quantité moyenne mensuelle de CO2 atmosphérique au dessus de l'observatoire Mauna Loa (Hawaï, lat. 20°N), de 1950 à nos jours (travaux de Keeling). 1.
Donner un titre à cette courbe 2. Quelles sont les tendances visibles sur cette courbe : sur une année ? sur 50 ans ? Comment les expliquer ? |
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4. Pour les mois de l'année 2010, reportez les points de la quantité moyenne mensuelle de CO2 sur votre courbe (exemple : octobre 2010, 387 ppm - source http://co2now.org). 5. Prolongez cette courbe en fonction de trois scénarios : scénario "pessimiste", business as usual, scenario "optimiste". Que pensez-vous de ces adjectifs ? 6. Expliquez le sens social et politique de vos scénarios ? (développement durable ?) 7. Pour chaque scénario, quelle sera, selon vos estimations, la concentration en CO2 en 2050 ?
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du charbon à l'atmosphère : action de l'homme par combustion, avec émission de CO2 (vitesse rapide). Mise en évidence de l'apparition de précipité de CaCO3 dans de l'eau de chaux Ca(OH)2. Ecrire la réaction chimique dans le bécher et dans le tube à essai. Expérience : dans un récipient, sous loupe binoculaire, versons deux gouttes d'HCl sur un fragment de calcaire ou sur le précipité dans le tube à essai. Que se passe-t-il ? Ecrire la réaction chimique. Il y a libération de CO2. Le calcaire est donc un réservoir de carbone, comme les roches carbonées. Remarque : les cimenteries sont des industries qui chauffent le calcaire pour fabriquer du ciment. Cette opération libère du CO2 dans l'atmosphère, du carbone fossile stocké dans les roches carbonatées. (exercice n°6 page 145).
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Le cycle du carbone : le CO2 atmosphèrique est donc une molécule gazeuse qui circule entre les roches, les êtres vivants mais aussi les océans. On parle de cycle du carbone. Lorsque l'homme brule les roches carbonées (pétrole, charbon), il augmente la quantité de CO2 dans l'atmosphère et interfère donc avec le cycle naturel du carbone. Ce cycle se déroule à des vitesses différentes. Proposition d'un cycle du carbone (sans et avec l'influence anthropique). Indiquez les flux rapides et les flux lents :
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Conséquences : exemple de l'acidification des océans
 Calcidicus (algue unicellulaire microscopique recouverte de plaques de calcite) élevée dans des conditions simulant le niveau actuel de pression partielle en CO2. Source : European Project on Ocean Acidification |
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 Evolution depuis 10.000 ans (source : AR4 - GW1 - spm - 2007) |
Exercice : le CO2 dans les océans, de 1985 à 2005. Allure de la courbe (livre page 144) et conséquences environnementales (dissolution et acidification des océans). L'acidification
des océans et l'évolution de la température
moyenne de surface de la Terre, sur la même période.
Discussion des corrélations (1975-2003) et anti-corrélations
(1945-1975)... |
On pourra faire ici le lien avec les estimations de l'évolution de la quantité de CO2 dans l'atmosphère depuis 600 millions d'année et la chute de cette teneur en fin de phanérozoïque. (travaux de Berner, 1997). On pourra également discuter des conditions climatiques au permo-carbonifère et tenter l'exercice (un peu simpliste à mon goût...) de lier quantité de CO2 atmosphérique et conditions climatiques globales, en prenant soin de préciser qu'il s'agit d'une corrélation entre deux facteurs (et non d'un lien causal !) qui fournit un argument en faveur de la théorie climatique du CO2 (Arrhénius, 1896) et du modèle physico-chimique de l'effet de serre (Fourier, Tyndall, XIXe siècle). SCIENCES et VALEURS : Bibliothèque nationale de France, lettre n°2 - décembre 2009 : L'essor des sciences météorologique et climatologique aux 18e et 19e siècles s'est accompagné de supputations diverses sur les variations de la température terrestre. Avec son étude sur les changements dans le climat de la France (1845), le docteur Fuster établit ainsi l'hypothèse d'une lente détérioration du climat qui donne lieu à un compte rendu sarcastique dans la Revue des Deux-Mondes. Quelques décennies plus tard, Amédée Guillemin contredit cette thèse du refroidissement climatique dans La Neige, la glace et les glaciers (1891). Au même moment, le chimiste suédois Svante Arrhénius, inspiré par les travaux de Joseph Fourier, met en évidence dans L'Évolution des mondes (1906) l'influence des émissions de gaz carbonique sur la température du globe. Il faudra cependant attendre près d'un siècle pour que les conséquences de l'effet de serre suscitent une véritable inquiétude et pour que le réchauffement climatique devienne une préoccupation politique internationale. |
Solutions : on aborde les solutions technoscientifiques, dans le cadre d'une vision positiviste du progrès scientifique et technique. D'autres solutions peuvent être envisagées en terme de changement des modes de consommation et des modes de vie occidentale (discussion des éthiques environnementales et de la prise en compte des dimensions économiques, sociales et environnementales dans la question du développement durable). D'autres sources d'énergie, non carbonées, exploitant les mouvements d'air et d'eau provoqués par l'inégale répartition de l'énergie solaire à la surface de la planète (chauffage inégale de l'eau et de l'air).
DM n°2 : Le pétrole dans le monde (convergence géographie et géopolitique)
Q2 : Analyse les flux de cette roche carbonée fossile à travers le monde en 2005.
Q3 : Comment ces flux expliquent (ou pas !) l'analyse de la question 1 (tu peux utiliser la troisième et la quatrième carte ci-dessous). Discuter des implications géopolitiques et environnementales de ces flux, actuelles et à venir.
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EXTRAITS pour ce thème
BOEN spécial n° 4 du 29 avril 2010
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La présence de restes organiques dans les combustibles
fossiles montre qu’ils sont issus d’une biomasse.
Dans des environnements de haute productivité, une faible
proportion de la matière organique échappe à
l’action des décomposeurs puis se transforme en combustible
fossile au cours de son enfouissement. La répartition des gisements de combustibles fossiles montre que transformation et conservation de la matière organique se déroulent dans des circonstances géologiques bien particulières. La connaissance de ces mécanismes permet de découvrir les gisements et de les exploiter par des méthodes adaptées. Cette exploitation a des implications économiques et environnementales. |
Repérer
dans la composition et les conditions de gisement les indices
d’une origine biologique d’un exemple de combustible
fossile. Manipuler, modéliser, extraire et exploiter des informations, si possible sur le terrain et/ou modéliser pour comprendre les caractéristiques d’un gisement de combustible fossile (structure, formation, découverte, exploitation). |
**
Un sol résulte d’une longue interaction entre les
roches et la biosphère, conditionnée par la présence
d’eau et la température. Le sol est lent à
se former, inégalement réparti à la surface
de la planète, facilement dégradé et souvent
détourné de sa fonction biologique. Sa gestion est
un enjeu majeur pour l’humanité. |
Manipuler,
recenser, extraire et organiser des |
*** Les êtres vivants sont constitués d’éléments chimiques disponibles sur le globe terrestre. Leurs proportions sont différentes dans le monde inerte et dans le monde vivant. Ces éléments chimiques se répartissent dans les diverses molécules constitutives des êtres vivants. Les êtres vivants se caractérisent par leur matière carbonée et leur richesse en eau. L’unité chimique des êtres vivants est un indice de leur parenté. |
Expérimenter,
modéliser, recenser, extraire et organiser des informations
pour comprendre la parenté chimique entre le vivant et
le non vivant. Mettre en oeuvre un processus (analyse chimique et/ou logiciel de visualisation moléculaire et/ou pratique documentaire) pour repérer quelques caractéristiques des molécules du vivant. |
****
La biodiversité est à la fois la diversité
des écosystèmes, la diversité des espèces
et la diversité génétique au sein des espèces. L’état actuel de la biodiversité correspond à une étape de l’histoire du monde vivant : les espèces actuelles représentent une infime partie du total des espèces ayant existé depuis les débuts de la vie. La biodiversité se modifie au cours du temps sous l’effet de nombreux facteurs, dont l’activité humaine. |
Manipuler,
extraire et organiser des informations, si possible sur le terrain,
pour : - repérer les divers aspects de la biodiversité dans une situation donnée ; - mettre en évidence l’influence de l’Homme sur la biodiversité. Utiliser des outils simples de détermination d’espèces végétales ou animales (actuelles ou fossiles) pour mettre en évidence la biodiversité d’un milieu. Prendre conscience de la responsabilité humaine face à l’environnement et au monde vivant. |
La
lumière solaire permet, dans les parties chlorophylliennes
des végétaux, la synthèse de matière
organique à partir d'eau, de sels minéraux et de
dioxyde de carbone. Ce processus permet, à l’échelle de la planète, l’entrée de matière minérale et d’énergie dans la biosphère. |
Établir,
à l’aide d’arguments expérimentaux,
les grands éléments de bilan de la photosynthèse.
Recenser, extraire et organiser des informations pour prendre conscience de l’importance planétaire de la photosynthèse. |
L’utilisation
de combustible fossile restitue rapidement à l’atmosphère
du dioxyde de carbone prélevé lentement et piégé
depuis longtemps. Brûler un combustible fossile, c’est
en réalité utiliser une énergie solaire du
passé. L’augmentation rapide, d’origine humaine de la concentration du dioxyde de carbone dans l’atmosphère interfère avec le cycle naturel du carbone. |
Manipuler,
modéliser, extraire et exploiter des informations pour
repérer dans une archive géologique simple les indices
d’une variation d’origine humaine de la teneur en
dioxyde de carbone atmosphérique. Représenter un cycle du carbone simplifié mais quantifié pour comprendre en quoi l’utilisation des combustibles fossiles constitue un enjeu planétaire. |
(Extraits du devoir surveillé n°1): Comparaison du nombre d'individus par m2 dans le sol d'une prairie et dans le sol d'un champ de maïs. Représentation graphique et analyse. Discussion et émission d'hypothèse sur l'influence de l'agriculture sur le cycle du carbone et l'évolution de la biodiversité.
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Chapitre
2 : La vie sur Terre... dans le système solaire, et ailleurs
?
(en italique des extraits du BO
spécial n° 4 du 29 avril 2010)
L’histoire de la Terre s’inscrit dans celle de l’Univers. Le développement de la vie sur Terre est lié à des particularités de la planète. La vie émerge de la nature inerte. Les êtres vivants possèdent une organisation et un fonctionnement propres. Leurs formes montrent une diversité immense, variable dans le temps, au gré de l’évolution.
Introduction
L'objectif de ce chapitre est de déterminer les caractéristiques communes (structure et fonctionnement) des êtres vivants. Il s'agira ensuite, disposant d'une définition générale et scientifique de la vie, de discuter de son origine (création ou évolution) et d'aller explorer dans le système solaire, les planètes susceptibles de réunir les conditions favorables à l'existence de formes de vie telles qu'elles auront été définies en milieu terrestre.
1. Définir les caractéristiques communes aux êtres vivants
A. Une parenté cellulaire ?
TP
n°12 : L'unité structurale et fonctionnelle d'un végétal
chlorophyllien aquatique : l'Elodée
(lien avec une épreuve
du baccalauréat ("A" Level) : Evaluation des
capacités expérimentales)
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Observation
au microscope optique (X60, X150 et X900) un fragment de feuille
d'Elodée. 1. Dessiner (X900) la structure de base de la feuille ? 2. Comment expliquer la couleur verte de ce végétal ? (comparaison avec la structure d'une cellule végétale non chlorophyllienne). 3. Les mouvements de cyclose : origine (courants cytoplasmiques) ? |
BILAN (lien avec l'éthymologie grecque des termes) : cet organe végétal est formé d'une structure élémentaire qu'on appelle cellule, d'une centaine de micromètres de long. L'ensemble de ces cellules rectangulaires et jointives forme un tissu végétal. Chaque cellule possède une paroi squelettique épaisse qui recouvre une membrane plasmique. A l'intérieur de la cellule, on distingue un noyau (qui contient l'ADN) et des grains verts qui contiennent un pigment : la chlorophylle. Ces grains s'appellent des chloroplastes et baignent dans un liquide riche en eau : le cytoplasme. A l'intérieur de la cellule végétale, présence d'une "poche" délimitée par une membrane : la vacuole.
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Le rôle des chloroplastes : mise en évidence de l'absoprtion de CO2 (acide carbonique) à l'aide d'un colorant sensible à la teneur en CO2 (rouge de crésol) : lorsque la plante absorbe le CO2, en présence de lumière, l'indicateur coloré passe du violet (milieu acide) au jaune (milieu moins acide). Mise en évidence de la fabrication de molécules organiques glucidiques dans les chloroplastes, à l'aide de l'eau iodée. Bilan : les chloroplastes fixent le CO2 en présence de lumière pour fabriquer des molécules organiques (matière organique comme les glucides, lipides, protides). C'est donc dans ces structures que se déroulent le processus de la photosynthèse. |
 Cellule végétale non chlorophyllienne (épiderme d'oignon) |
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| Dans la levure chimique, une réaction acido-basique est à l'origine de l'émission de CO2 qui fait gonfler la pâte. Le
"bicarbonate de soude" (NaHCO3) est la base et l’
hydrogénotartrate de potassium (COOH - CHOH - CHOH -
COOK) l'acide. Sous certaines conditions d’humidité
et de chaleur, la réaction suivante se produit : Remarque : l’amidon de maïs présent à 15% dans le mélange chimique permet la conservation de la levure dans le temps. |
A
la différence de la levure chimique la levure de boulangerie
contient des cellules qui transforment "les sucres"
naturellement présents dans la farine en éthanol
(alcool) et CO2 (dioxyde de carbone), en l'absence d'oxygène
(fermentation alcoolique).
Le CO2 fabriqué par la levure lors de la cuisson fait gonfler la pâte et l'éthanol s'évapore lors de la cuisson.
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Construction d'une représentation schématique de la cellule végétale chlorophyllienne ou non (modèle cellulaire)
 Plants, DVD Life n°4 BBC Earth, 2009 |
Education aux médias : Rayonnement solaire, eau et croissance végétale 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 critiquables car ils donnent l'impression d'une "conscience végétale" (approche descriptive anthropocentrée). 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). |
TP n°13: Comparaison avec les cellules d'un être vivant
animal : l'exemple des cellules sanguines
L'objectif
est de comparer la structure de quelques cellules animales à
celle des cellules végétales.
Observer et dessiner
les différentes cellules visibles au microscope optique
sur une lame mince de sang humain colorée artificiellement.
 observation au grossissement X100 |
 observation au grossissement X300 |
Questionnements élèves : la distribution de ce support de travail soulève des discussions éthiques sur l'origine de ce sang, la fabrication et le rôle dans l'organisme de ces cellules, le dopage et le sport (thème 3 du programme), les effets de l'altitude, les risques sanitaires, le transport de nutriments, l'élimination d'agents pathogènes et l'immunodéficience, les cancers de la moelle osseuse, etc....
BILAN comparé (lien éthymologie grecque) : le sang se présente comme un ensemble de cellules globulaires non-jointives (fluidité du liquide sanguin) baignant dans le liquide plasmatique. On en distingue deux types. les globules contenant un pigment rouge, l'hémoglobine, capable de fixer le dioxygène (erythrocytes) ; et les globules plus gros et plus claires (leucocytes) contenant un noyau (avec une impression de polynucléaires) et chargés de détruire les virus et bactéries pathogènes. D'après le grossissement utilisé, ces cellules animales sont plus petites que les cellules de la feuille d'Elodée (dix fois plus petites, soit 10 micromètres).
 observation au grossissement X1.000 |
On
utilise un autre type de microscope pour voir leur structure
(ultrastructure au microscope électronique).
Des structures intracellulaires apparaissent : les mitochondries,
centre de production d'énergie à partir de molécule
organique dégradée : siège de la respiration
cellulaire. |
 observation au grossissement X5.000 |
 observation au grossissement X15.000 |
Construction d'une représentation schématique de la cellule sanguine (modèle cellulaire)
TP n°14: Comparaison avec les cellules bactériennes : l'exemple des cellules du ferment lactique
Observation au microscope
optique des micro-organismes d'un yaourt ou d'un fromage.
Comment procéder ? Michèle
Lussu et Chantal (Lycée Sembat, Vénissieux, Académie
de Lyon), d'après
le site Didier Pol.
-
Prélever un échantillon de "petit lait" de la taille de 3 à 4 têtes d’épingle avec la pointe d’un couteau.
-
Le diluer avec du serum physiologique
-
Placer une goutte de ce mélange sur la lame.
-
Laisser sécher sur une source tiède (séche-cheuveux)
-
Ajouter une goutte de bleu de méthylène à 2%.
-
Laisser sécher une seconde fois pour la fixation du colorant.
-
Observer du plus faible grossissement au plus fort (de 1000 à 1600 pour observer les bactéries)
 Colonies bactériennes en file, résultant de la division des cellules (Streptocoques du yaourt, coloration bleu de méthylène x 1000) Source : Didier Pol |
Nécessité de recourir au microscope électronique pour une observation détaillée :
|
 Source : APBG |
 Source : APBG |
BILAN
: bactérie, être vivant de 1 micromètre avec paroi
et sans noyau : l'ADN baigne dans le cytoplasme. Les bactéries
peuvent réaliser la fermentation ("vie sans oxygène"),
la respiration (comme les cellules animales
et végétales) mais également la photosynthèse
(cas des cyanobactéries, bactéries photosynthétiques
comme les cellules végétales chlorophylliennes ; on
peut parler des stromatolithes comme traces de vie ancienne).
Elles ont colonisé tous les milieux (la plus grande biodiversité)
et elles se reproduisent vite par division (intéret pour les
études génétiques).
Q1
: Remplir le tableau comparatif simplifié des structures et
des tailles cellulaires : les constantes et les variables structurales
et fonctionnelles (écrire "0"
en cas d'absence du caractères ou "1" dans le cas
inverse) :
Q2 : Proposition de
liens structuraux de parenté (cellule à ADN, ADN libre
ou inclu dans un noyau, présence de mitochondries, de chloroplastes
et de molécules de chitine.
| Cellule
animale |
Cellule
de champignon |
Cellule
végétale |
Cellule
bactérienne |
|
| Exemple
de cellule |
||||
| Taille
moyenne |
||||
| Présence
d'une paroi |
||||
| Membrane
plasmique |
||||
Cytoplasme |
||||
| Noyau
à ADN |
||||
ADN
nu (non inclu dans un noyau) |
||||
| Mitochondrie
(siège de la respiration) |
||||
| Chloroplaste (siège de la photosynthèse) |
BILAN : avec ou sans paroi, mais toujours avec une membrane qui délimite un cytoplasme (milieu aqueux) et de l'ADN. L'unité structurale mais également fonctionnelle des cellules vivantes (capables de réactions chimiques pour se procurer de l'énergie en échangeant des gaz) est un indice d'une parenté probable entre les êtres vivants. Création ou évolution ?
B. Une parenté chimique et moléculaire du vivant
A l'échelle chimique, comparaison de la composition chimique globale d'un végétal, d'un animal, d'une bactérie :
Activité 1 : Tableau composition atomique comparée du vivant et du non-vivant (pourcentage en masse déshydratée, classe de seconde, Editions Belin, page 28). Construire les histogrammes de la composotion chimique des trois êtres vivants ou de "diagrammes en camenbert" à partir du tableau (Editions Belin, Activité n°2 p.29)
Activité 2 : A l'échelle moléculaire, coonstruction des histogrammes de la compostion chimique moyenne de différentes Cellues. En commun l'eau (H2O) et la matière organique (matière carbonée (C,H,O,N) sous forme de lipides, glucides, protides, voir Editions Nathan).
Constituants
(en % de la masse cellulaire totale) |
Cellule
végétale |
Cellule
animale |
Cellule
bacterienne |
Eau |
83 |
70 |
70 |
Ions |
0,5 |
1 |
1 |
Protides |
6 |
18 |
15 |
Lipides |
2 |
5 |
2 |
Glucides
|
2,5 |
2 |
2 |
Acides
nucléiques |
0,5 |
0,25 |
1 |
Autres
molécules |
6 |
3,75 |
9 |
Activité 3 : Observation à loupe binoculaire d'un échantillon de roche représentant la composition globale de la Terre solide (la péridotite en enclave dans un basalte de la région des volcans d'Auvergne).
|
|
Estimez l'abondance
de chacun des minéraux représentatifs de l'échantillon
(olivine et pyroxène). Faire le diagramme
atomique (Si, O, Fe, Mg)
à partir du tableau ci-dessus. |
BILAN : Disctinction matière vivante (organique, capable d'abriter des réactions chimiques et énergétiques, et combustible) et matière inerte (minérale, inerte et non combustible). Une homologie chimique et moléculaire (C,H,O,N et H2O) entre les êtres vivants. Création ou évolution ?
| DM n°3 : Education aux médias : BBC Planet Earth - Ocean Deep 3/4 (12 minutes). Des
formes de vie possibles dans les fonds océaniques, sans
rayonnement solaire ? La photosynthèse n'est pas le seul
processus qui permet l’entrée de matière
minérale et d’énergie dans la biosphère.
Observation d'espèces vivantes le long de la ride
Atlantique et de la ride Pacifique ; notion de biodiversité
au sein d'un écosystème chimiosynthétique
: |
|
|
Video
: |
Discours
du médiateur, transcription
du sous-titrage français [24 min - 29 min] : |
C. L'ADN : une molécule d'information génétique,
universelle et variable
Depuis les années 1970, les biologistes disposent de techniques qui permettent de comprendre lles logiques de la transmission des caractères héréditaires de générations en générations. Les supports d'étude sont des êtres vivants qui se reproduisent vite et qui permettent d'avoir plusieurs générations en peu de temps. Exemple : les bactéries, les insectes (comme la drosophile), les vertébrés (comme la souris ou le lapin) mais aussi des végétaux (comme le poids, le colza ou le maïs).
Activité 1 : Un exemple de croisement entre une drosophile sauvage (ailes longues, corps jaune) et une drosophile mutée (ailes courtes et corps noir) :
Q1 : Dans
la population de Drosophiles de même génération
et résultant du croisement, repérer et analyser le nombre
de représentants de chacune des types morphologiques visibles
(types parentaux et types recombinés)
Q2 : Estimez le pourcentage de chaque type morphologique.
 |
Dérive génétique chez le Drosophile : l'apparition des mutations naturelles viables (à l'origine d'une nouvelle population de drosophiles qui peut hériter de ce caractère) Brassage génétique par reproduction et une innovation évolutive accompagnée par l'apparition de mutations viables. |
|
Remarque : des mutations non viables, qui peuvent changer le plan d'organisation de l'animal. Exemple de la mutation Antennapedia caractérisée par la présence de pattes à la place des antennes chez la drosophile.
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|
Activité 2 : Etude de l'évolution de papillons de nuit (phalènes de type carbonaria et de type typica) dans la région de Manchester (UK), depuis 1830.
 |
 En 1895, 95% des phalènes sont de type carbonaria |
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 |
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Q1
: Retracer la courbe d'évolution des populations des phalènes
(carbonaria et typica) entre 1830 et 2000.
Q2 : Rédiger une explication pour ces évolutions,
dans une région qui a été fortement industrialisée
et qui se désindustrialise depuis 1960, sachant que les lichens
blancs qui recouvrent le tronc des arbres ne résistent pas
à la pollution industrielle.
BILAN : Dérive génétique (plusieurs allèles d'un même gène qui ont pour origine des mutations de l'ADN) et sélection "naturelle" : facteurs d'évolution des espèces....Mécanismes génétiques de l'évolution
DM
n°4 : Des
expériences de transgenèse et discussion
éthique
|
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 |
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BILAN : L’ADN (acide désoxyribonucléique) est une molécule d'information génétique, stable et variable en même temps. Elle possède un langage universel (comme le montre les expériences de transgenèse). Ce caractère universel de l’ADN dans le monde vivant est un indice d'homologie entre les êtres vivants.
2.
Parenté et diversité des êtres vivants
: exemple du plan
d'organisation des Vertébrés.
TP n° 18 : Anatomie
et embryologie comparée des Vertébrés par dissection
de deux vertébrés.
|
 Hawkins, Benjamin Waterhouse A comparative view (1860) |
|
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|
Anatomie comparée : En commun : un plan de symétrie bilatérale et des axes de polarité (dorso-ventrale et antéro-postérieur), des vertébres et un crâne (squelette interne). Discussions éthiques : dissections de l'Homme dans l'histoire des sciences et de la médecine mais aussi actuellement (don d'un corps à la science ou don d'organes ?)
Travaux dirigés n °19 : Etablir des parentés entre espèces de Vertébrès...
-
Observation des dessins anatomiques comparatifs de Hawkins (XIXe siècle)
-
Comparez les squelettes des membres postérieurs et antérieurs de quatre vertébrés tétrapodes et les systèmes d'articulation. Utilisez un code couleur pour les os de la cuisse (ou bras), de la jambe (ou avant bras) et du pied (ou main).
(Questions d'élèves : craquement des os, repousse de la queue du lézard, isolement des squelettes...)
Rat
Skeleton : Whale
Skeleton :
|
Rana Skeleton |
|
Q1
: Remplir le tableau (caractères présents (1)
ou absents (0)) |
BILAN
: Des similitudes anatomiques et fonctionnelles....Les espèces
qui ont les mêmes caractères innovants forment un groupe
dans la classification du vivant. Sur la base des données paléontologiques,
mais également génétiques et moléculaires,
on peut supposer l'existence d'un ancêtre commun dont les descendants
ont subi des évolutions génétiques (dérive
génétique à l'échelle
des temps géologiques qui ont conduit à une importante
biodiversité) et une sélection
naturelle.
Sur la base de ce même principe d'analyse, on peut construire
une évolution buissonnante avec des liens de parenté
morphologiques et génétiques, entre espèces actuels
et passées. Trois branches principales apparaissent dans le
buisson de la vie terrestre, à partir de LUCA
: les bactéries vraies, les archées (discussion sur
leurs particularités structurales et fonctionnelles, recherche
en cours) et les eucaryotes.
Source : muséum nationale d'histoire naturelle
de Paris, d'après Lecointre G. (2009).
DM
Exposé : Enquête sur l'extinction
du Dodo : reconstitution, phylogénie et origine(s) explicative(s)
de l'extinction.
|
3. Les conditions de la vie sur Terre et ailleurs ?
Retour sur le définition
de la vie terrestre :cellulaire, eau liquide et matière organique,
échanges de gaz avec l'atmosphère et l'hydrosphère,
capable de se reproduire et d'évoluer. Chercher une forme de
vie terrestre ailleurs revient à trouver une planète
avec de l'eau liquide, une atmosphère, une température
viable.
Activité 1 :
Les objets du système solaire
Vidéo "Inifiniment grand, infiniment petit" de Pour
la Science [musique : Ace Ventura (Exposed, liquid soul
remix; progressive psy; morning), Mamue (Groove-agent)], ou encore
"Puissance de dix"
Le système solaire
: autour d'une étoile (convergence physique-chimie)
: définition, différence chimique et physique entre
planètes rocheuses et planètes gazeuses géantes.
Des satellites autour des planètes rocheuses (Lune) et des
planètes gazeuses (exemple d'Europe, Encelade, Titan)
Activité 2 :
L'eau dans le système solaire
Les différents états de l'eau dépendent de la
température mais également de la pression.
Expérience d'ébullition sous vide d'un bloc de glace
(sublimation) : A faible pression atmosphérique, l'eau n'existe
que sous deux états : solide et gazeux.
Q1 : Sur le diagramme, placez les conditions de surface de la planète
Terre et de la planète Mars.
Q2 : Que peut-on en déduire ?...
Et pourtant des traces
d'écoulements fluides liquides... histoire ancienne, d'une
période plus chaude en surface, avant que cette petite planète
(diamètre ?) ne se refroidisse.
Activité 3 :
La température de surface des planètes du système
solaire
Une sonde qui s'éloigne du soleil mesure une température
qui diminue de manière exponentielle décroissant en
fonction de la distance au Soleil.
Si on place les planètes sur cette courbe, on obtient la température
qu'elles devraient avoir théoriquement...
Q1 : placez les températures de surface moyenne des planètes
et les comparez avec les températures théoriques.
Q2 : comment expliquez les différences constatées ?
LUNE
? bonne distance, mais taille petite.... pourtant de l'eau apparemment...
MARS ? VENUS ? atmosphère, bonne taille mais distance éloignée
ou proche... pourtant de l'eau mais sous quel état dans les
conditions physicio-chimiques ?
EUROPE (Jupiter) ? ENCELADE (Saturne) ?
BILAN
: La vie sur Terre (cellule
avec de l'eau liquide et qui réalise des échanges gazeux)
: vie possible en relation avec des paramètres astronomiques
et physico-chimiques : présence d'une atmosphère possible
en raison de la masse (taille) et de la distance au Soleil => Température
et pression favorable à l'eau liquide, conditions
compatibles avec la vie terrestre.
L'atmosphère a une composition riche en éléments
légers qui sont retenus => atmosphère épaisse,
de compostion compatible avec la vie, qui permet un effet de serre
naturel (comme sur Vénus), mais qui a évolué
au cours du temps (CO2 et 02 notamment...).
BILAN : Cela donne des critères d'exploration du système solaire et extrasolaire, à la recherche d'une planète pouvant abriter des formes de vie. Ces conditions peuvent exister sur d’autres planètes qui possèderaient des caractéristiques voisines sans pour autant que la présence de vie de forme terrestre y soit certaine.
 Un souçon de vie sur Mars Libération du jeudi 8 août 1996 |
Education aux médias : Comment un quotidien fait sa "une" avec une annonce spectaculaire sur les sciences ? (août 1996) ; Polémique sur la bactérie "alien" de la Nasa (décembre 2010)
|
B. Des planètes ou des exoplanètes habitables ou habitées ?
Des
moyens de détection des formes de vie extratesrrestre :
1. Autour de chaque étoile, on peut repérer l'existence
de planètes par photométrie satellitale et variation
de la brillance de l'étoile au passage d'un astre.
On peut alors déterminer la taille
de l'exoplanète et sa distance à l'étoile
(et son caractère rocheux) afin d'estimer si elle est susceptible
d'abriter la vie sous une forme similaire à la nôtre.
reste alors à prouver la présence d'eau à leur
surface... Beaucoup d'incertitudes même si actuellement 1000
exoplanètes identifiées....
NASA
Kepler project 2011 : First mission capable of finding Earth-size
and smaller planets
A search for Habitable Planets (education) : Kepler
satellite (photometer designed to continuously and simultaneously
monitors brightnesses of 100,000 stars brighter than 14th magnitude
in the constellations Cygnus & Lyrae). Discuss on exoplanet transits
(february 2011 results).
 Example of Mercury transit  |
  Detecting planet transits and Kepler's 3rd law |
 Satellite was launched in March 2009 |
|
2. Des programmes d'écoute, qui ont permis de découvrir
les étoiles pulsar émettant des ondes radio de manière
périodique...
3. Un moyen plus aléatoire : l'émission de messages
(écrits, sonores, vidéo...) depuis la Terre dans l'espoir
qu'ils soient récupérés et déchiffrés
par des extraterrestres....
DM
: Les messages des sondes Pioneer 10 et Voyager
: SETI (search for extraterrestrial intelligence) : NASA's project |
|
|
|
Q1
: Rappeler les objectifs scientifiques des missions américaines
Pioneer
Q5
: Que pensez-vous de cette initiative, qui fut reconduite en
1977 sur la sonde Voyager ? Argumentez ! Extrait du communiqué officiel du président des Etats-Unis Jimmy Carter placé le 16 juin 1977 sur les sondes Voyager : « Nous allons diffuser ce message dans le cosmos [...] Parmi les 200 milliards d'étoiles de la Voie lactée, quelques-unes - peut-être plus - peuvent abriter des planètes habitées et des civilisations voyageant dans l'espace. Si une telle civilisation intercepte Voyager et peut comprendre les contenus enregistrés sur le disque, voici notre message : Nous essayons de survivre à notre temps, ainsi nous pouvons vivre dans le vôtre. Nous espérons un jour, ayant résolu le problème auquel nous faisons face, rejoindre une communauté de civilisations galactiques. Ce disque représente notre espoir, notre détermination et notre bonne volonté dans un univers vaste et impressionnant » Exemple d'une réponse étudiante : "Je pense que cette initiative serait interessante si il y aurait certitude de vie extraterrestre car il faudrait bien leur decrire le monde dans lequel nous vivons par contre mon opinion est que ce message est adressé aux extraterrestres directement mais indirectement il était adressé aux gesn qui vivent dans notre planète et plus spécialement aux russes dans le but de leur montrer leur supériorité en effet cette sonde a été encoyé en pleine guerre froide" Eléments pour discuter et évaluer les argumentations recueillies : les arguments mobilisés par les étudiants discutent les objectifs du message, les objectifs scientifiques mais également politiques. Sur l'ensemble des 80 étudiants, on constate que les arguments scientifiques sont discutées autour entre deux visions des sciences : une vision positiviste avec des objectifs scientifiques de recherche d'espaces habitées et habitables, associée au développement de technologies nouvelles, une exploration de l'univers dans le but d'établir de connaissances nouvelles et de "faire avancer les sciences". Dans cette vision positiviste, l'initiative est jugée (registre des valeurs) comme bonne et utile scientifique et socialement. Associé à une vision critique des sciences, l'initiative est jugée (regsitre des valeurs) hasardeuse, scientifiquement aléatoire, socialement secondaire, voire inutile ou folle, et couteuse ! Pour ces étudiants, l'interrogation porte alors sur les intentions d'une telle initiative et d'un message dont le contenu est qualifiée d'anthropocentrée et d'élitiste, dans la mesure où il suppose les mêmes sens que les nôtres et le même mode de pensée (salut de l'homme supposé universel...) pour être décrypté (et encore, certains disent même que c'est une devinette qui a un côté effrayant...). |
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EXTRAITS
pour ce thème
BOEN
spécial n° 4 du 29 avril 2010
Les
êtres vivants sont constitués d’éléments
chimiques disponibles sur le globe terrestre. Leurs proportions
sont différentes dans le monde inerte et dans le monde
vivant. Ces éléments chimiques se répartissent
dans les diverses molécules constitutives des êtres
vivants. Les êtres vivants se caractérisent par leur matière carbonée et leur richesse en eau. L’unité chimique des êtres vivants est un indice de leur parenté. |
Expérimenter,
modéliser, recenser, extraire et organiser des informations
pour comprendre la parenté chimique entre le vivant et
le non vivant. Mettre en œuvre un processus (analyse chimique et/ou logiciel de visualisation moléculaire et/ou pratique documentaire) pour repérer quelques caractéristiques des molécules du vivant. |
De
nombreuses transformations chimiques se déroulent à
l’intérieur de la cellule : elles constituent le
métabolisme. Il est contrôlé par les conditions
du milieu et par le patrimoine génétique. La cellule est un espace limité par une membrane qui échange de la matière et de l’énergie avec son environnement. Cette unité structurale et fonctionnelle commune à tous les êtres vivants est un indice de leur parenté. |
Mettre en œuvre
un raisonnement expérimental pour : - montrer l’effet de mutations sur le métabolisme cellulaire et comprendre le rôle du génome ; - repérer l’influence de l’environnement sur le fonctionnement d’une cellule ; - comprendre les mécanismes d’une démonstration expérimentale : comparaisons, tests, témoins. Réaliser une préparation microscopique et/ou utiliser des logiciels et/ou organiser et recenser des informations pour distinguer les échelles : atome, molécule, cellule, organe, organisme et les ordres de grandeur associés. Comparer des ultrastructures cellulaires pour illustrer la parenté entre les êtres vivants. |
La
transgénèse montre que l’information génétique
est contenue dans la molécule d’ADN et qu’elle
y est inscrite dans un langage universel. La variation génétique repose sur la variabilité de la molécule d’ADN (mutation). L’universalité du rôle de l’ADN est un indice de la parenté des êtres vivants. |
Manipuler, modéliser,
recenser, extraire et organiser des informations pour mettre
en évidence l’universalité de l’ADN.
Mettre en œuvre une méthode (démarche historique et/ou utilisation de logiciel et/ou pratique documentaire) permettant d’approcher la structure de l’ADN et la nature du message codé. |
La
diversité des allèles est l’un des aspects
de la biodiversité. La dérive génétique est une modification aléatoire de la diversité des allèles. Elle se produit de façon plus marquée lorsque l’effectif de la population est faible. La sélection naturelle et la dérive génétique peuvent conduire à l’apparition de nouvelles espèces. |
Manipuler, utiliser
un logiciel de modélisation pour comprendre la dérive
génétique. Extraire et organiser des informations pour relier crises biologiques, dérive génétique et évolution des espèces. |
Au
sein de la biodiversité, des parentés existent
qui fondent les groupes d’êtres vivants. Ainsi,
les vertébrés ont une organisation commune. Les parentés d’organisation des espèces d’un groupe suggèrent qu’elles partagent toutes un ancêtre commun. |
Mettre en œuvre
un protocole de dissection pour comparer l’organisation
de quelques vertébrés. Manipuler, recenser, extraire et organiser des informations sur l’organisation de quelques vertébrés actuels et/ou fossiles. |
La
Terre est une planète rocheuse du système solaire.
Les conditions physico-chimiques qui y règnent permettent l’existence d’eau liquide et d’une atmosphère compatible avec la vie. Ces particularités sont liées à la taille de la Terre et à sa position dans le système solaire. Ces conditions peuvent exister sur d’autres planètes qui possèderaient des caractéristiques voisines sans pour autant que la présence de vie y soit certaine. |
Expérimenter,
modéliser, recenser, extraire et organiser des informations
pour : - comparer les différents objets du système solaire et dégager les singularités de la Terre ; - relier les particularités de la planète Terre à sa masse et sa distance au Soleil et définir une zone d’habitabilité autour des étoiles. |
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La connaissance du corps et de son fonctionnement est indispensable pour pratiquer un exercice physique dans des conditions compatibles avec la santé. Cela passe par la compréhension des effets physiologiques de l’effort et de ses mécanismes dont on étudie ici un petit nombre d’aspects.
1. La fragilité du système musculo-articulaire
Travaux pratiques : le système articulaire
Dissection et réalisation d'un écorché sur "la patte" de Grenouille. Retour sur "le pied" humain : système tendineux, ligamenteux, questions de bipédie (Homme - singe) : équilibre squelettique, question d'évolution de l'homme (C'est pas sorcier, extrait)
Etude de quelques blessures du système musculo-articulaire (os, muscles, tendons et blessures associées). Etude d'une articulation par imageries médicales et retour sur la dissection des membres postérieurs de la Grenouille et de la Souris.
BILAN : L'articulation est protégée par un liquide synovial qui lubrifie l'articulation et minimise les frottements. L'échauffement insuffisant, un exercice trop intense ou trop prolongé augmentent les risques de blessures.
Activité 2 : Observation des cellules musculaires du squelette (cellules géantes à plusieurs noyaux, fibreuses et striées, groupées en faisceau, contractables).
BILAN : Le taux de raccourcissement et le nombre de faisceaux conditionnent la force de contraction musculaire. La contraction musculaire "tire" sur les tendons peu élastiques : ils tirent à leur tour sur les os articulés : le mouvement articulaire se produit.
Activité 3 : Limiter les risques de blessures ?
BILAN : Echauffement et entrainement des systèmes cardio-vasculaires, musculo-articulaires et pulmonaires permettent de diminuer les risques d'accident de façon raisonnée et adaptée à ses performances personnelles. Ces systèmes doivent être également maintenus en "bon état" pour une pratique sportive responsable.
DM : Le dopage : une pratiques sportive à risques ?
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Super Souris (Mighty Mouse) : dessin animé réalisé par Isadore Klein, diffusé pour la première fois en France sur Antenne 2 en 1976 (rediffusé plus récemment dans les années 2000 dans l'emmission Ca Cartoon sur Canal +. |
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Genetically engineered "Mighty Mouse" can run 6 kilometers without stopping at a speed of 20 meters per minute. (Source : Science Daily, 2 Nov. 2007)
|
2. L'effort musculaire s'accompagne d'une consommation accrue d'O2 et de molécules organiques énergétiques (glucides et lipides) et d'une augmentation des échanges gazeux respiratoires
Travail et puissance musculaire, qui nécessite de l'énergie provenant de la combustion respiratoire. Cette combustion se réalise dans les cellules musculaires et produit de l'énergie qui sert en partie à la contraction, l'autre partie est perdue sous forme de chaleur.
Il existe un pallier de consommation d'O2 même si l'effort continue d'augmenter en intensité. Cette VO2max varie entre les individus, en fonction du sexe, de l'âge, de l'entrainement et c'est un indicateur de sa capacité à réaliser un effort. Quant à la consomation de nutriments, elle ne subie pas de phénomènes de saturation et l'organisme puise alors dans ces réserves. Dans le cas de l'obésité, les stockages de réserves sont supérieures à leur consommation. C'est pourquoi l'on recommande l'exercice physique en cas d'obésité, associé à une réduction des apports alimentaires énergétiques.
A travers
une surface d'échanges de gaz (parois alvéolaires et
parois capillaires). L'augmentation du débit cardiaque et ventilatoire
durant l'effort permet d'augmenter la quantité d'02 et de C02
échangée.
Le système circulatoire est clos et double (circulation pulmonaire
et générale). Le muscle cardiaque permet une circulation
à sens unique grâce à l'existence de valves cardiaques.
Le debit sanguin vers les cellules musculaires est augmenté
durant l'effort physique : les muscles reçoivent plus de sang
qu'au repos. Le
système cardio-vasculaire et pulmonaire est donc central dans
la pratique d'un effort physique :
il permet un approvisionnement optimal aux cellules musculaires.
3. Une boucle de régulation de la pression artérielle (Pa)
Activité : La variation de la pression artérielle et de la fréquence cardiaque durant l'effort.
BILAN
: La pression exercée par le sang sur la paroi
des artères (Pa) dépend du débit cardiaque (Dc)
mais elle se maintient autour d'une valeur moyenne. Il existe donc
un système de régulation. Des barorécepteurs
(capteurs) émettent des messages nerveux sensitifs vers le
bulbe rachidien, qui répond en émettant des messages
nerveux moteurs vers le coeur pour augmenter ou diminuer la fréquence
cardiaque (Fc) (et donc le débit cardiaque et la pression artérielle).
L'activité du coeur est donc nerveusement régulée
pour maintenir une pression artérielle stable.
Durant
l'effort, cette boucle de régulation permet
de maintenir la Pa à un niveau plus élevé.
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EXTRAITS
pour ce thème
BOEN
spécial n° 4 du 29 avril 2010
La connaissance du corps et de son fonctionnement est indispensable pour pratiquer un exercice physique dans des conditions compatibles avec la santé. Cela passe par la compréhension des effets physiologiques de l’effort et de ses mécanismes dont on étudie ici un petit nombre d’aspects.
Au
cours d’un exercice long et/ou peu intense, l’énergie
est fournie par la respiration, qui utilise le dioxygène
et les nutriments. L’effort physique augmente la consommation de dioxygène : - plus l’effort est intense, plus la consommation de dioxygène augmente ; - il y a une limite à la consommation de dioxygène. La consommation de nutriments dépend aussi de l’effort fourni. L’exercice physique est un des facteurs qui aident à lutter contre l’obésité. |
Concevoir et/ou
mettre en œuvre un protocole expérimental (ExAO,
spirométrie, brassard, ...) pour mettre en évidence
un ou plusieurs aspects du métabolisme énergétique
à l’effort (consommation de dioxygène, production
de chaleur,…). Exploiter des données quantitatives (éventuellement àl’aide d’un tableur) concernant les modifications de la consommation de dioxygène et/ou de nutriments à l’effort. |
Au
cours de l’effort un certain nombre de paramètres
physiologiques sont modifiés : fréquence cardiaque,
volume d’éjection systolique (et donc débit
cardiaque) ; fréquence ventilatoire et volume courant
(et donc débit ventilatoire) ; pression artérielle.
Ces modifications physiologiques permettent un meilleur approvisionnement des muscles en dioxygène et en nutriments. L’organisation anatomique facilite cet apport privilégié. Un bon état cardiovasculaire et ventilatoire est indispensable à la pratique d’un exercice physique. |
Concevoir et/ou
mettre en œuvre un protocole expérimental (en particulier
assisté par ordinateur) pour montrer les variations des
paramètres physiologiques à l’effort. Manipuler, modéliser, recenser, extraire et organiser des informations et ou manipuler (dissections et/ou logiciels de simulation et/ou recherche documentaire) pour comprendre l’organisation et le fonctionnement des systèmes cardiovasculaire et ventilatoire. |
La
pression artérielle est une grandeur contrôlée
par plusieurs paramètres. Par exemple, il existe une
boucle réflexe de contrôle de la fréquence
cardiaque (dont la pression artérielle dépend
par l’intermédiaire du débit) : - des capteurs (barorécepteurs) sont sensibles à la valeur de la pression artérielle ; - un centre bulbaire intègre les informations issues des barorécepteurs et module les messages nerveux en direction de l’effecteur (cœur) ; - les informations sont transmises du centre à l’effecteur par des nerfs sympathiques et parasympathiques. La boucle de régulation contribue à maintenir la pression artérielle dans d'étroites limites autour d'une certaine valeur. A l’effort, l’organisme s’écarte de cette situation standard. |
Recenser, extraire
et exploiter des documents historiques relatifs à des
travaux expérimentaux pour construire et/ou argumenter
la boucle de régulation nerveuse évoquée.
Élaborer un schéma fonctionnel pour représenter une boucle de régulation. |
Le muscle
strié squelettique et les articulations constituent
un système fragile qui doit être protégé.
Les accidents musculo-articulaires s’expliquent par
une détérioration du tissu musculaire, des tendons,
ou de la structure articulaire. |
Recenser, extraire
et interpréter des informations tirées de compte
rendus d’accidents musculo-articulaires (imageries médicales).
Manipuler, modéliser, recenser, extraire et organiser des informations et/ou manipuler (dissections, maquettes, etc.) pour comprendre le fonctionnement du système musculo-articulaire. Relier les caractéristiques de l’organisation du muscle aux manifestations d’un accident musculo-articulaire. |
Des
pratiques inadaptées ou dangereuses (exercice trop intense,
dopage…) augmentent la fragilité du système
musculo-articulaire et/ou provoquent des accidents. |
Extraire et
exploiter des informations pour : - comprendre la différence entre l’usage thérapeutique d’une molécule et l’usage détourné qui peut en être fait ; - comprendre l’effet sur la santé des sportifs d’une pratique de dopage ; - déterminer comment se livrer à un exercice physique dans de bonnes conditions de santé. Exercer sa responsabilité en matière de santé. |
Benoit URGELLI, septembre 2010