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
(extrait du
BO spécial n° 4 du 29 avril 2010, p.6)

  • Pratiquer une démarche scientifique
    (observer, questionner, formuler une hypothèse, expérimenter,
    raisonner avec rigueur, modéliser).
  • Recenser, extraire et organiser des informations.
  • Comprendre le lien entre les phénomènes naturels et le langage mathématique.
  • Manipuler et expérimenter.
  • Comprendre qu’un effet peut avoir plusieurs causes.
  • Exprimer et exploiter des résultats, à l’écrit, à l’oral, en utilisant les TIC.
  • Communiquer dans un langage scientifiquement approprié :
    oral, écrit, graphique, numérique.
  • Percevoir le lien entre sciences et techniques.
  • Manifester sens de l’observation, curiosité, esprit critique.
  • Montrer de l’intérêt pour les progrès scientifiques et techniques.
  • Être conscient de sa responsabilité face à l’environnement, la santé, le monde vivant.
  • Avoir une bonne maîtrise de son corps.
  • Être conscient de l’existence d’implications éthiques de la science.
  • Respecter les règles de sécurité.
  • Comprendre la nature provisoire, en devenir, du savoir scientifique.
  • Être capable d’attitude critique face aux ressources documentaires.
  • Manifester de l’intérêt pour la vie publique et les grands enjeux de la société.
  • Savoir choisir un parcours de formation.


Manuel scolaire en ligne
Mis à jour chaque semaine en fonction de la progression et des questionnements des élèves
du lycée Marcel Sembat (Vénissieux, 2de3 et 2de6) et
du lycée Fredéric Fays (Villeurbanne, 2de1 et 2de7)

last up-date : 7 octobre, 2013

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 !


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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.
1- A partir de son tableau, constuire la courbe d'évolution de la population mondiale en fonction du temps (on prendra un centimètre pour cent ans et un centimètre pour un milliard d'hommes).
2- A partir de la courbe obtenue, proposer des explications pour les oscillations observées et les évolutions brutales entre -400 et auhjourd'hui.
3- D'après vous, que pourrait-il se passer après 2050 ? Pourquoi ? Il est vivement conseiller de proposer plusieurs scénarios (deux au moins...) en les argumentant.

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)


Extrait de la carte géologique de Bédarieux (1/50.000) pour localisation des affleurements de charbon de Graissessac (voir TP n°4)


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.


Photographie : S. Schwartz, 2010

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


Ecorce de Lepidodendron et Tronc de Fougère arborecente actuelle

Tronc de Calamite et Prêle actuelle

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).


Reconstitution géologique de la surface du globe il y a 300 millions d'année (Carbonifère)
(Site PALEOMAP de Christopher R. Scotese)

Représentation géologique de la surface actuelle du globe
(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.


Fragments de bois en cours de décomposition dans l'horizon d'humus

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.

 


Echantillonage de chacun des horizons du sol d'une forêt de conifères

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)


Source : INRA


Extrait de l'ouvrage Bordas
Classe de Sixième (2005)

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).


Antonio Berlese
Source :

Dispositif Berlese
S ource :

Dispositif construit par Karine Desmidt
Notice sur le site académique de Dijon

Dispositif proposé par Benoit Urgelli
Lycée Frédéric Fays, Villeurbanne
  • Récolte et identification des espèces animales recueillies, en utilisant la clé de classification simplifiée des êtres vivants.
  • Critique de l'efficacité du dispositif
  • Construire un fragment de réseau trophique, connaissant le régime alimentaire des êtres vivants présenté dans le tableau ci-contre.

  • Recherche à la maison sur le contexte sociopolitique et économique dans lequel Berlese a conduit ses recherches
  • Socioscientific issue : L'Homme, par le travail du sol, par les épandages de produits phytosanitaires, modifie-t-il cette biodiversité du sol ? Voir des pistes d'investigation avec ce travail à la Martinique du club Jeunes Recherche et Développement : comparaison des extractions de faune entre deux sols, une parcelle témoin et une parcelle cultivée. La notion d'échantillonage doit être discutée avec les élèves.

BILAN :

  1. 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.

***** 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
Champignons conocybes (Conocybe sp) et feuilles mortes, Ille-et-Vilaine, France.
Les feuilles mortes disparaîtront presque comme par enchantement grâce à l'action des bactéries et des champignons.

Le sol est vivant
Extrait de la deuxième exposition pédagogique de Yann Arthus Bertrand (Association Good Planet) : La biodiversité "tout est vivant, tout est lié" (2007)

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.
Dans une seule cuillère à soupe de sol forestier se bousculent plus de 50 milliards d'organismes vivants ! Bactéries, champignons, vers et insectes décomposent les plantes et les animaux morts et en font de l'humus. Les racines des plantes retiennent cet humus et y puisent leurs éléments nutritifs. Et ainsi de suite. Tant que le cycle n'est pas interrompu, l'écosystème se perpétue.
Trop souvent, l'élevage et l'agriculture détruisent les sols. Défrichés et mis à nu, ils sont lessivés par les pluies, érodés, et s'appauvrissent. L'indispensable humus n'est pas remplacé et les sols, dénués de la vie souterraine qui les enrichit, deviennent stériles. Chaque année, dans le monde, 24 milliards de tonnes de sols fertiles sont ainsi perdus.

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

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)

 

 

 

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.


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).


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)

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
(
Que représente chaque point ? Combien y a-t-il de points sur une année ?)

2. Quelles sont les tendances visibles sur cette courbe : sur une année ? sur 50 ans ? Comment les expliquer ?


Source :
IPCC- AR4 - SPM - WG1- 2007


3. Prolongez les deux axes pour pouvoir faire des estimations pour le futur (jusqu'en 2050 au moins.)

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 ?





TD n°11 : Les échanges de carbone entre différents compartiments :
une chimie du carbone (modélisation des différents flux de carbone)

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).


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 :

de l'atmosphère aux végétaux (photosynthèse, piégeage de CO2) : vitesse rapide
de l'atmosphère à l'océan (diffusion, dissolution) : vitesse rapide
des animaux à l'atmosphère (respiration, décompostion) : vitesse rapide
de l'atmosphère au charbon : vitesse lente (fossilisation)
de l'océan aux roches sédimentaires (carbonates, roches carbonées) : vitesse lente (précipitation et sédimentation)

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


Calcidicus élevée dans des conditions de pression partielle en CO2 qui pourrait être atteinte dans les années 2100 (si le développement humain continue dans les mêmes conditions socioéconomiques et politiques).

Source : European Project on Ocean Acidification



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 reviendra sur l'influence récente de l'activité humaine sur la teneur en CO2 atmosphérique (l'homme, agent d'évolution).

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)

Q1 : Analyse la carte mondiale ci-dessous et tente de faire des catégories de pays.

click

Ci-contre :Localisations des réserves de pétrole
http://www.ladocumentationfrancaise.fr/cartotheque/index.shtml)

click

Q2 : Analyse les flux de cette roche carbonée fossile à travers le monde en 2005.

click

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.

Education aux médias : Le Dessous des cartes, Vers le pic pétrolier* (nov. 2010; 12 min). Emission Arte qui pose la question de la fin du pétrole, prévue en 2010 pour les géologues et en 2050 pour les pétroliers. Les logiques de manipulation des chiffres.

Vidéo :

* Moment où la production de pétrole cessera d’augmenter et commencera à décliner, conséquence de l’épuisement des réserves, physiquement limitées, de pétrole

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EXTRAITS pour ce thème
BOEN spécial n° 4 du 29 avril 2010

* 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
informations, si possible sur le terrain, pour :
- comprendre la formation d’un exemple de sol ;
- relier végétation, climat, nature de la roche mère et nature d’un exemple de sol.

Comprendre la responsabilité humaine en matière
d’environnement.


*** 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)


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.

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)


Ultrastructure d'une cellule de champignon
ici des levures, champignons unicellulaires capables de vivre en présence comme en absence d'oxygène gazeux

 

 

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 :
COOH - CHOH - CHOH - COOK + NaHCO3 <-------> COONa - CHOH - CHOH - COOK + CO2 + H2O

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.

 

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).

Vidéo : click to see the BBC video


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)

Quelques bactéries du yaourt
(coloration bleu de méthylène x 400)
Source : Didier Pol

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 :


Des bactéries lactiques dans l'emmental vues au
microscope électronique.
Source : Sciences Ouest


Représentation schématique de la structure d'une bactérie
(modèle cellulaire)



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.
Discussion élèves : "On dirait du verre colorée" : le verre est un minéral silicaté transparent (SiO2). La coloration s'explique ici par la présence d'atomes de fer (Fe) et de magnésium (Mg).

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 :

Q1 : Quelles sont les caractéristiques communes et les spécificités des êtres vivants le long des rides océaniques.
Q2 : Quelles relations alimentaires entretiennent ces êtres vivants dans ce milieu dépourvu de rayonnement solaire ?

Q3 : Que pensez-vous du discours du médiateur qui présente ces écosystèmes


DVD n°4, Planet Earth,
BBC, 2008

Video :

5 premières minutes


Discours du médiateur, transcription du sous-titrage français [24 min - 29 min] :
"Le sol de l'océan Atlantique est divisée en deux par une immense chaine de volcans qui sillone la croute terrestre sur 75.000 km. Cette dorsale comporte par endroits de gigantesques fissures. De l'eau surchauffée riche en minéraux s'en échappe, jaillissant dans l'eau glacée. Des nuages de sulfures se solidifient pour former des cheminées équivalent à la hauteur d'un batiment de trois étages. Ce cocktail chimique porté à une tempéraure de 400°C s'avère trop toxique pour permettre à la vie de se développer. Et pourtant, une espèce singulière de bactéries prolifère ici. Et ces mêmes bactéries sont la source d'alimentation d'immenses nuées de crevettes. Dans cet univers totalement inaccesible aux rayons du soleil, une importance commmunauté vit donc en autarcie et puise directement son énergie dans le noyau de la Terre.
Aux antipodes, le long des côtes japonaises du Pacifique ouest, des dragons grondent. Un autre champ de cheminées hydrothermales vomit sa fumée noire. Ici, des colonies de bactéries plus nombreuses encore se développent suivant le même processus. Elles nourissent également des crustacées plus nombreux appartenant à une espèce différente de celles de l'Atlantique. Il s'agit de Galathées revêtues d'un manteau velu. Ces crabes s'agglutinent à l'entrée des sources chaudes où ils se disputent les meilleurs nids bactériens. Ces puits, tout comme ceux de l'Atlantique, sont de véritables oasis, si distants les uns des autres que chaque microcosme y est unique. A l'autre extrémité du Pacifique, au large des îles Galapagos, d'autres fumeurs encore crachent leurs volutes brulantes. A 2,5 km de profondeur, sur le site baptisé "Nine north", les cheminées sont garnies de formidables bouquets de vers vestimentifères géants. Une telle quantité d'énergie émane des sources que certains des vers atteignent 3 mètres de long. Aucun autre invertébré marin ne se développe à cette allure. A ce jour, plus de 50 espèces différentes ont été découvertes sur ce site. Les communautés qui peuplent les sites hydrothermaux croissent à une vitesse fulgurante mais elles vivent peu de temps. En effet, les sources ne restent pas indéfiniment productives. Elles sont susceptibles de se tarir à tout moment. Neuf mois ont passé à Nine North. Les cheminées grouillantes de vie ont fait place à un cimétière minéral désert et glacial. Un évènement survenu au coeur de la croute terrestre a provoqué la déviation des flux volcaniques, entrainant l'extinction d'un microcosme tout entier."


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.

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


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
Q1 : Décrire à l'aide d'un schéma et d'un texte court une expérience de transgénèse de votre choix.
Q2 : En argumentant de manière rigoureuse et construite, précisez ce que vous pensez de ces expériences de transgenèse en général (bien, mal, utile, inutile, risqué, indispensable, inacceptable...). Pourquoi ?

  • gène GFP de la Méduse transféré à la souris ou lapin. Prix Nobel de Chimie 2008 : une méduse fluorescente récompensée Aequorea victoria : la découverte et le développement de la protéine fluorescente verte GFP (Green Fluorescent Protein), utiliser la GFP comme traceur
  • Introduction de gène de resistance à un insecte ravageur dans du maïs (gène de la bactérie Bacillus qui est insecticide tuant la pyrale).
  • Introduire des gènes humains dans des bactéries pour produire de l'insuline.


 

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.


Larousse, 1922

 


Hawkins, Benjamin Waterhouse
A comparative view (1860)


 

 

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


yeux et orifice buccal
colonne vertébrale
et crâne
membre pourvu de doigts
Vertébres du cou avec une protubérance ventrale
poils
HOMME
SOURIS
LEZARD
CARPE
ESCARGOT

Q1 : Remplir le tableau (caractères présents (1) ou absents (0))
Q2 : Préciser les espèces qui sont les plus proches et celles qui sont les plus éloignés du point de vue des caractères étudiés.
Q3 : Quelles innovations évolutives distinguent l'escargot de la Carpe, la Carpe du Lézard, le Lézard de la Souris, la Souris de l'Homme ?
Q4 : Construction d'un arbre phylogénétique pour ces 5 espèces animales.

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.
Travail sur le squelette du Dodo et les restes de tête et de membres inférieurs. Tentative de reconstitution. Proximité moléculaire avec le pigeon.
Etymologie du nom : Didus ineptus à Raphus cucculatus. Explication scientifique de cette évolution terminologique.

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)


Météorite martienne

 


Structure vermiforme en surface de météorite
une bactérie ?

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



Carl Sagan (professeur et directeur de laboratoire à l'Université Cornell) s'est occupé de réaliser la plaque sur Pioneer avec sa femme, dessinatrice.


Pioneer Plaque Location,
Gold-Anodized Plate (source NASA).


Le disque Voyager Golden Record embarqué sur les sondes Voyager en 1977. Il contient des sons et des images sélectionnés pour dresser un "portrait de la diversité de la vie et de la culture terrestre".

Q1 : Rappeler les objectifs scientifiques des missions américaines Pioneer
Q2 : Quel était le contexte politique de l'époque ?
Q3 : Quel est le matériau-support du message et sa dimension réelle. Pourquoi ?
Q4 : Légendez le message de Pioneer. Que signifie les deux sphères dans l'esprit des scientifiques ? pourquoi les avoir représentées ?

Q5 : Que pensez-vous de cette initiative, qui fut reconduite en 1977 sur la sonde Voyager ? Argumentez !
Q6 : Qu'auriez-vous proposer à leur place ? Pourquoi ?

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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Thème 3 : L'activité sportive

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 ?

  • Le dopage chimique agit sur la masse musculaire et la résistance à l'effort, par l'intermédiaire d'hormones (substances chimiques produites par des organes et véhiculées par le sang) qui modifient le fonctionnement d'organes cibles. Pour le dopage, il y a détournement de la fonction naturelle, voire médicale, de la substance chimique. Il y a alors fragilisation du système musculo-articulaire mais également du système cardio-vasculaire et pulmonaire. Les risques sur la santé du sportif sont augmentés.
  • Le dopage génétique (exemple de la Souris mighty mice)

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 +.

Genetically engineered "Mighty Mouse" can run 6 kilometers without stopping at a speed of 20 meters per minute. (Source : Science Daily, 2 Nov. 2007)


Supermouse versus Wild type
Richard Hanson's Research Lab

 

 

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.
Au cours de la contraction musculaire, la force exercée tire sur les tendons et fait jouer une articulation, ce qui conduit à un mouvement.

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