Programme officiel de la classe de TS spé

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La notation de la question 1 (restitution organisée des connaissances) se fonde sur le texte du BO. Il est donc intéressant pour les candidats de bien connaître ce texte qui leur apportera une bonne base pour écrire leur texte.

 

Enseignement obligatoire

 

Parenté entre êtres vivants actuels et fossiles - Phylogenèse – Évolution
Les êtres vivants partagent des propriétés communes (structure cellulaire, ADN, modalités de la réplication et de l’expression des gènes, code génétique). Ces propriétés traduisent une origine commune.
L’état actuel du monde vivant résulte de l’évolution. Toutes les espèces vivantes actuelles et toutes les espèces fossiles sont apparentées mais elles le sont plus ou moins étroitement.
La recherche de parenté chez les vertébrés - L’établissement de phylogénies
L’établissement de relations de parenté entre les vertébrés actuels s’effectue par comparaison de caractères homologues (embryonnaires, morphologiques, anatomiques et moléculaires). Les comparaisons macroscopiques prennent en compte l’état ancestral et l’état dérivé des caractères.
Seul le partage d’états dérivés des caractères témoigne d’une étroite parenté. Ces relations de parenté contribuent à construire des arbres phylogénétiques. Les ancêtres communs représentés sur les arbres phylogénétiques sont hypothétiques, définis par l’ensemble des caractères dérivés partagés par des espèces qui leur sont postérieures ; ils ne correspondent pas à des espèces fossiles précises. Une espèce fossile ne peut être considérée comme la forme ancestrale à partir de laquelle se sont différenciées les espèces postérieures.
La lignée humaine – La place de l’Homme dans le règne animal
L’Homme est un eucaryote, un vertébré, un tétrapode, un amniote, un mammifère, un primate, un hominoïde, un hominidé, un homininé : ces caractères sont apparus successivement à différentes périodes de l’histoire de la vie. L’Homme partage un ancêtre commun récent avec le Chimpanzé et le Gorille. Cet ancêtre commun n’est ni un Chimpanzé (ou un Gorille) ni un homme.
La divergence de la lignée des chimpanzés et de la lignée humaine peut être située il y a 7 à 10 millions d’années.
Les critères d’appartenance à la lignée humaine
Les critères d’appartenance à la lignée humaine sont les caractères liés à la station bipède, au développement du volume crânien, à la régression de la face et aux traces fossiles d’une activité culturelle. On admet que tout fossile présentant au moins un de ces caractères dérivés appartient
à la lignée humaine.
Le caractère buissonnant de la lignée humaine
La lignée humaine est représentée actuellement par une seule espèce. Plusieurs espèces d’homininés ont vécu entre 6 millions d’années et 100 000 ans, époque où apparaissent les Homo sapiens. Ces espèces appartiennent à deux genres : les Australopithèques et les Homo. Les Australopithèques possèdent des caractères dérivés de la lignée humaine en rapport avec la bipédie. Les espèces du genre Homo possèdent en outre des caractères dérivés crâniens marqués notamment par une augmentation du volume crânien et une réduction de la face. Les Australopithèques ont vécu entre 4 millions d’années (Australopithecus anamensis) et 1 million d’années (A. robustus). Les Homo les plus anciens (H. habilis) sont datés de 2,5 millions d’années. Plusieurs espèces d’Homininés ont donc vécu en même temps. Les Australopithèques formeraient un rameau de la lignée humaine détaché assez tôt de celui des Homo. Les espèces fossiles actuellement datées entre 4 millions et 1,5 millions d'années sont toutes africaines. Cela peut s’expliquer par l’origine africaine de la lignée humaine ou par les conditions de fossilisation exceptionnelles de la vallée du rift africain. Les Homo erectus sont connus d’abord en Afrique (adolescent de Turkana : 1,6 million d’années) ; ils forment un groupe très diversifié dont l’évolution est marquée notamment par une augmentation graduelle du volume crânien. De nombreuses populations colonisent l’Afrique du Nord, l’Afrique du Sud, le Proche Orient, l’Asie et l’Europe. L’Homme de Néanderthal trouvé en Europe semble provenir de l’évolution d’Homo erectus ayant colonisé l’Europe.
L’origine des hommes modernes, Homo sapiens.
Toutes les populations humaines actuelles partagent les mêmes allèles, avec une fréquence variable. La population ancestrale n’aurait compté que quelques dizaines de milliers d’individus. Homo sapiens serait une nouvelle espèce apparue en Afrique ou au Proche Orient il y a 100 000 à 200 000 ans et aurait colonisé tous les continents en remplaçant Homo erectus.

Stabilité et variabilité des génomes et évolution
L'apport de l'étude des génomes : les innovations génétiques.
Au sein d’une espèce, le polymorphisme des séquences d'ADN résulte de l’accumulation de mutations au cours des générations. Suivant leur nature et leur localisation, les mutations (substitution, addition ou délétion d’un ou de plusieurs nucléotides) ont des conséquences phénotypiques variables. Au sein du génome d’une espèce, les similitudes entre gènes (familles de gènes) sont interprétées comme le résultat d’une ou plusieurs duplications d’un gène ancestral. La divergence des gènes d’une même famille s’expliquent par l’accumulation de mutations. Dans certains cas, ces processus peuvent conduire à l’acquisition de gènes correspondant à de nouvelles fonctions.
Les innovations génétiques sont aléatoires et leur nature ne dépend pas des caractéristiques du milieu.
Méiose et fécondation participent à la stabilité de l'espèce.
Chez les organismes présentant une reproduction sexuée, une phase haploïde et une phase diploïde alternent. La méiose assure le passage de la phase diploïde à la phase haploïde. Elle suit une phase de réplication de l'ADN et se compose de deux divisions cellulaires successives
qui conduisent à la présence d’un lot haploïde de chromosomes par cellule fille. La fécondation rétablit la diploïdie en réunissant les lots haploïdes des gamètes d’une même espèce. Des perturbations dans la répartition des chromosomes lors de la formation des gamètes conduisent à des anomalies du nombre des chromosomes.
Méiose et fécondation sont à l'origine du brassage génétique.

La variabilité allélique se manifeste au sein de l’espèce par une hétérozygotie à de nombreux locus. La variabilité génétique est accrue par la réunion au hasard des gamètes lors de la fécondation et par les brassages intrachromosomique et interchromosomique lors de la méiose. Le brassage intrachromosomique, ou recombinaison homologue par crossing-over, a lieu entre chromosomes homologues appariés lors de la prophase de la première division de méiose. Le brassage interchromosomique est dû à la migration indépendante des chromosomes homologues de chaque paire lors de l'anaphase de la première division de méiose.
Étude de trois exemples de relations entre mécanismes de l’évolution et génétique.
Les innovations génétiques peuvent être favorables, défavorables ou neutres pour la survie de l’espèce.
- Parmi les innovations génétiques seules celles qui affectent les cellules germinales d’un individu peuvent avoir un impact évolutif. Les mutations qui confèrent un avantage sélectif aux individus qui en sont porteurs ont une probabilité plus grande de se répandre dans la population.
- Des mutations génétiques peuvent se répandre dans la population sans conférer d’avantage sélectif particulier (mutations dites neutres).
- Des mutations affectant les gènes de développement (notamment les gènes homéotiques) peuvent avoir des répercussions sur la chronologie et la durée relative de la mise en place des caractères morphologiques. De telles mutations peuvent avoir des conséquences importantes.

La mesure du temps dans l’histoire de la Terre et de la vie
Datation relative
La datation relative permet d’ordonner les uns par rapport aux autres des structures (strates, plis, failles, minéraux) et des événements géologiques variés (discordance, sédimentation, intrusion, orogenèse).
La datation relative repose sur les principes de la chronologie relative qui ont permis d’établir l’échelle stratigraphique des temps géologiques. Ces principes sont :
- superposition,
- continuité,
- recoupement,
- identité paléontologique.
Datation absolue
La chronologie absolue, en donnant accès à l’âge des roches et des fossiles, permet de mesurer les durées des phénomènes géologiques. Elle permet aussi de situer dans le temps l’échelle relative des temps géologiques.
La chronologie absolue est fondée sur la décroissance radioactive de certains éléments chimiques : elle exploite la relation qui existe entre rapports isotopiques et durée écoulée depuis la “ fermeture du système ” contenant les isotopes. Les radio-chronomètres sont choisis en fonction de la période de temps que l’on cherche à explorer.
Pour les derniers millénaires on utilise le carbone 14 (14C) dont la quantité lors de la fermeture du système est connue. La mesure de la quantité de 14C restante dans l’échantillon permet de trouver un âge. Lorsque tous les éléments radioactifs ont disparu de l’échantillon, la datation n’est plus possible. Pour des périodes plus anciennes on peut, par exemple, utiliser le couple potassium-argon (K-Ar). La quantité initiale lors de la fermeture du système est négligeable. La contamination par l’argon de l’atmosphère rend difficile la détection de l’argon issu de la désintégration du potassium avant que la roche ait atteint un certain âge. On utilise aussi le couple rubidium-strontium (Rb-Sr). Pour trouver l’âge d’une roche il est alors nécessaire demesurerles rapports isotopiques de plusieurs minéraux de la même roche ayant cristallisé au même moment (les quantités initiales des éléments et le moment de la fermeture du système étant inconnus).

La convergence lithosphérique et ses effets
Convergence et subduction
La convergence se traduit par la disparition de lithosphère océanique dans le manteau, ou subduction. La lithosphère océanique s’enfonce sous la marge active d’une plaque comprenant une croûte continentale ou une croûte océanique. Les caractéristiques principales des zones de subduction sont :

- La présence de reliefs particuliers (positifs et négatifs).

- Une activité magmatique importante.

- Une déformation lithosphérique importante.

- Une répartition particulière des flux de chaleur.
La distribution géométrique des séismes matérialise le plongement d’une portion rigide de lithosphère à l’intérieur du manteau plus chaud et ductile.
L’évolution de la lithosphère océanique qui s’éloigne de la dorsale s’accompagne d’une augmentation de sa densité, jusqu’à dépasser la densité de l’asthénosphère : cette différence de densité est l’un des principaux moteurs de la subduction.
Les zones de subduction sont le siège d’une importante activité magmatique caractéristique : volcanisme, mise en place de granitoïdes.
Le magma provient de la fusion partielle des péridotites au-dessus du plan de Bénioff, cette fusion est due à l’hydratation du manteau. L’eau provient de la déshydratation des roches de la plaque plongeante. Le long du plan de Bénioff, les roches de la lithosphère océanique sont soumises à des conditions
de pression et de température différentes de celles de leur formation. Elles se transforment et se déshydratent. Des minéraux caractéristiques des zones de subduction apparaissent.
Convergence et collision continentale.
Dans les Alpes franco-italiennes affleurent des roches qui contiennent des témoins minéralogiques des conditions de pression et température d’une subduction. Il s’agit d’éléments d’une ancienne lithosphère océanique subduite et ramenée en surface (ophiolites). Dans les Alpes franco-italiennes affleurent des témoins de marges passives : sédiments, blocs basculés et de croûte océanique non subduite (ophiolites). Les marges passives sont déformées et témoignent de la collision continentale. La convergence est ici absorbée par la déformation des marges qui se raccourcissent et s’épaississent, conduisant à la formation d’une chaîne de montagnes. Les conséquences les plus visibles du raccourcissement
et de l’épaississement de la croûte continentale sont : - une topographie particulière (des reliefs élevés associés à une racine crustale), - des plis, des failles et des charriages.
Après la collision, la chaîne de montagnes est le lieu d’une évolution tardive : érosion en surface, fusion partielle en profondeur.
La fin de ce chapitre est l’occasion de dresser un rapide bilan de la dynamique de la lithosphère, de l’ouverture océanique à la naissance d’une chaîne de montagnes.

Procréation
La reproduction sexuée (méiose, fécondation) apparaît dès les eucaryotes unicellulaires. Dans le groupe des vertébrés chez les mammifères placentaires, elle se caractérise par l'acquisition de la viviparité.
Du sexe génétique au sexe phénotypique.
Chez les mammifères les structures et la fonctionnalité des appareils sexuels mâle et femelle sont acquises en quatre étapes au cours du développement :
- 1ère étape : stade phénotypique indifférencié. Mise en place d’un appareil génital indifférencié dont la structure est commune aux deux sexes (génétiquement XX et XY).
- 2ème étape : du sexe génétique au sexe gonadique.
. sur le chromosome Y , au cours du développement précoce, le gène Sry est activé et donne naissance à la protéine TDF, signal de développement des gonades en testicules : acquisition du sexe gonadique mâle. . sur le chromosome X, il n’y a pas de gène Sry. En absence de la protéine TDF les glandes deviennent des ovaires : acquisition du sexe gonadique femelle.
- 3ème étape : du sexe gonadique au sexe phénotypique différencié. La mise en place du sexe phénotypique mâle se fait sous l’action des hormones testiculaires et de l’hormone antimullerienne. Celle du sexe phénotypique femelle s’effectue en absence de ces hormones. - 4ème étape : la puberté. L’acquisition de la fonctionnalité des appareils sexuels mâle et femelle et des caractères sexuels secondaires se fait sous le contrôle des hormones sexuelles (testostérone chez le mâle, œstrogènes chez la femelle).
Régulation physiologique de l’axe gonadotrope : intervention de trois niveaux de contrôle
• Chez l’homme
Activité testiculaire. Les testicules produisent des spermatozoïdes et de la testostérone de manière continue de la puberté jusqu’à la fin de la vie. L’homéostat de la testostéronémie est indispensable à la fonctionnalité de l’appareil sexuel mâle.
Contrôle par l’hypothalamus.
La sécrétion de testostérone ainsi que la production de spermatozoïdes sont déterminées par la production continue des gonadostimulines hypophysaires -FSH et LH– induite par la sécrétion pulsatile de GnRH, neurohormone hypothalamique. La GnRH est sécrétée sous l’influence de stimulus d’origine interne ou externe.
La testostéronémie est détectée en permanence par le complexe hypothalamo-hypophysaire. La testostérone exerce sur ce complexe une rétroaction négative : ainsi, la testostéronémie est constante.
• Chez la femme

Le complexe hypothalamo-hypophysaire détermine et règle de façon cyclique, de la puberté à la ménopause, la sécrétion des hormones ovariennes, ce qui a pour conséquence le fonctionnement cyclique des organes cibles de ces hormones. Cette coordination aboutit à réunir les conditions optimales d'une fécondation et d'une nidation.
Cycle utérin : modifications structurales et fonctionnelles permettant l'implantation de l'embryon.
Cycle ovarien : l'évolution cyclique des follicules ovariens entraîne la sécrétion également cyclique des oestrogènes et de la progestérone. Les organes cibles de ces hormones, utérus en particulier, évoluent donc aussi de façon cyclique.
Contrôle par l’hypothalamus : cette évolution est sous le contrôle de la sécrétion des gonado-stimulines hypophysaires --FSH et LH– elle-même permise par la sécrétion pulsatile de GnRH, neurohormone hypothalamique qui comme chez l’homme est sécrétée sous l’influence de stimulus d’origine interne ou externe. L'événement majeur du cycle est la libération brutale de LH, qui provoque l'ovulation. Le caractère cyclique de la sécrétion des gonadostimulines est lié à des rétroactions négatives et positives entre ovaire et complexe hypothalamo-hypophysaire (mise en jeu d’un servo-mécanisme).
Rencontre des gamètes et début de grossesse
La rencontre des gamètes est conditionnée au moins en partie par la qualité de la glaire cervicale. La fécondation a lieu dans le tiers supérieur des trompes et n'est possible que pendant une brève période après l'ovulation. Après fécondation et nidation, la sécrétion de l'hormone HCG par le tout jeune embryon permet la poursuite de l'activité du corps jaune et, par conséquent, la sécrétion
de progestérone indispensable au maintien de la muqueuse utérine au début de la grossesse.
Aspect comportemental
Il existe une relation directe entre comportement sexuel et sécrétion hormonale. Chez les mammifères non hominidés, l’acceptation du mâle par la femelle est déterminée par la sécrétion d’oestrogènes (oestrus). Chez le mâle, le comportement de rut est dépendant de la sécrétion de testostérone et des stimulus émis par la femelle. Dissociation entre hormones et comportement sexuel : l'Homme est capable de maîtriser sa procréation. Son comportement sexuel est partiellement dissocié de son activité hormonale.
Maîtrise de la procréation.
- Régulation des naissances

La contraception hormonale féminine s'appuie sur l'ensemble des connaissances acquises sur la régulation hormonale de la physiologie sexuelle. La contraception hormonale masculine est encore à l'état de recherche. Le couple peut utiliser d'autres moyens contraceptifs pour empêcher la rencontre des gamètes ou l'implantation de l'embryon.
- Aide médicalisée à la procréation
Le suivi de la grossesse
Pendant toute la grossesse la femme et son foetus sont médicalement surveillés grâce à différents moyens d'investigation (analyses sanguines, échographies et si des doutes apparaissent, amniocentèse ou choriocentèse pour dépister une anomalie grave du fœtus). Dans le cas de la détection d’une anomalie grave, diverses mesures sont mises en œuvre qui peuvent aller jusqu'à proposer une IVG thérapeutique.

Infertilité et procréation médicalement assistée
Différentes techniques médicales peuvent apporter des solutions : insémination artificielle, FIVETE, ICSI.

Immunologie
Une maladie qui touche le système immunitaire : le SIDA (syndrome d’immuno- déficience acquise)
• Le VIH et la primo-infection Le VIH (virus de l’immunodéficience humaine) est transmis par voie sexuelle, par voie sanguine ou au cours de la grossesse de la mère à l’enfant.
Le VIH appartient à la catégorie des rétrovirus (virus à ARN). Les cellules cibles du VIH sont principalement des cellules immunitaires : lymphocytes T4, monocytes et macrophages, ces dernières cellules (monocytes et macrophages) jouant un rôle de véritable réservoir, notamment dans les ganglions lymphatiques. Elles possèdent des protéines membranaires auxquelles le virus s’amarre par l’intermédiaire d’une protéine de son enveloppe (la plus importante de ces protéines membranaires étant CD4), ce qui lui permet de pénétrer dans la cellule hôte.
Une enzyme virale, la transcriptase inverse, transcrit l’ARN viral en ADN dans les cellules infectées. Cet ADN est intégré au génome de la cellule et s’exprime, permettant la reproduction du virus sous forme de particules virales infectieuses et leur dissémination notamment dans les organes lymphoïdes.
Pendant cette période, les symptômes se limitent le plus souvent à ceux d’une maladie virale bénigne.
• La phase asymptomatique -Deux semaines à quelques mois après la contamination, la présence dans le sang de différents anticorps anti-VIH est décelée, le sujet est dit alors “séropositif pour le VIH”.
- Apparaissent en même temps dans le sang du sujet contaminé des lymphocytes T cytotoxiques spécifiques dirigés contre les cellules infectées par le VIH.
- Pendant cette période asymptomatique de plusieurs années, les défenses immunitaires restent actives mais les virus continuent à se multiplier et le nombre de lymphocytes T4 à diminuer.
• Le sida : phase symptomatique En absence de traitement, le nombre des LT4 baisse. Le sida se caractérise alors par diverses maladies opportunistes.
Les processus immunitaires mis en jeu - Généralisation
Les anticorps : agents du maintien de l’intégrité du milieu extracellulaire :
La séropositivité pour le VIH correspond à la présence d’anticorps spécifiques, dirigés contre certaines protéines du virus. La synthèse d’anticorps est la signature d’une réaction de l’organisme à la présence d’éléments étrangers.
Les anticorps sont des effecteurs de l’immunité acquise. Ils agissent dans le milieu extracellulaire (ou milieu intérieur) en se liant spécifiquement aux antigènes qui ont déclenché leur formation. Les anticorps sont des immunoglobulines, protéines circulantes du milieu intérieur constituées d’une partie constante et d’une partie variable.
La spécificité des anticorps est due à la partie variable. La liaison antigène – anticorps entraîne la formation de complexes immuns, favorisant l’intervention de mécanismes innés d’élimination de ces complexes.
Les cellules phagocytaires (macrophages, polynucléaires), exprimant des récepteurs de la partie constante des anticorps, fixent par l’intermédiaire de ces récepteurs les complexes immuns et les éliminent par phagocytose.
Les anticorps sont produits par des lymphocytes B sécréteurs ou plasmocytes. De très nombreux clones de lymphocytes B se distinguant par leurs anticorps membranaires qui servent de récepteurs pour l’antigène, préexistent avant tout contact avec celui-ci. La reconnaissance d’un antigène donné par un lymphocyte B porteur d’un récepteur spécifique de cet antigène entraîne la multiplication de ce lymphocyte et la formation d’un clone de lymphocytes B ayant la même spécificité. Les lymphocytes B obtenus se différencient en plasmocytes et en lymphocytes B mémoire. Dans la majorité des réactions immunitaires, cette multiplication est dépendante d’une autre population de lymphocytes, les lymphocytes T4 (voir 3). Les anticorps dirigés contre les protéines virales peuvent bloquer la pénétration des virus dans les cellules, mais ne peuvent pas agir sur les cellules déjà infectées.
Les lymphocytes T cytotoxiques (T8) : agents du maintien de l’intégrité des populations cellulaires
Les lymphocytes T cytotoxiques sont aussi des effecteurs de l’immunité spécifique. Les cellules infectées expriment à leur surface des fragments peptidiques issus des protéines du pathogène, que n’expriment pas les cellules saines.
Les lymphocytes T, par leurs récepteurs T spécifiques, reconnaissent les cellules infectées. Cette reconnaissance déclenche un mécanisme d’élimination des cellules infectées par ces lymphocytes T cytotoxiques. La production de lymphocytes T cytotoxiques spécifiques à partir de lymphocytes T pré-cytotoxiques repose sur des étapes (sélection, multiplication, différenciation, intervention des lymphocytes T4) voisines de celles conduisant à la production de lymphocytes B sécréteurs.
Dans le cas du SIDA, la destruction des lymphocytes T4 par les lymphocytes T cytotoxiques limite la progression de l’infection virale mais l’incorporation du génome viral dans les cellules infectées maintient la contamination.
Les lymphocytes T4 : pivots des réactions immunitaires spécifiques
A la suite de l’entrée d’un antigène dans l’organisme, des lymphocytes T4 spécifiques de cet antigène se différencient en lymphocytes T4 sécréteurs de messagers chimiques (interleukines). Les interleukines stimulent la multiplication et la différenciation des lymphocytes B et des lymphocytes T sélectionnés.
Dans le cas du SIDA, la disparition des lymphocytes T4 empêche la production d’anticorps et de lymphocytes T cytotoxiques contre des agents microbiens variés. Ceci permet l’apparition de maladies opportunistes. Les conséquences de l’effondrement des défenses immunitaires prouvent qu’en permanence les mécanismes immunitaires sont à l’œuvre et montrent le rôle essentiel des lymphocytes T4 dans la majorité de ces réactions.
Les vaccins et la mémoire immunitaire
Les espoirs pour un vaccin anti-VIH.
Des vaccins ont été mis au point contre différents virus. Ils reproduisent une situation naturelle, celle de l’immunité acquise contre ces virus après une première infection guérie. Le premier contact avec l’antigène entraîne une réaction lente et quantitativement peu importante, alors que le second contact entraîne une réaction beaucoup plus rapide et quantitativement plus importante. Cette mémoire immunitaire s’explique par la formation, après un premier contact avec un antigène, de lymphocytes B mémoire et de lymphocytes T4 mémoire. Ces cellules sont plus nombreuses que les lymphocytes B ou T4 vierges, de même spécificité ; elles ont une durée de vie plus longue et elles réagissent très rapidement lors d’un second contact avec l’antigène. Dans le cas du virus du SIDA, il s’agit de trouver un vaccin contre un virus qui n’est pas vaincu par les défenses immunitaires naturelles. Le virus du SIDA mutant constamment, une des difficultés de la mise au point d’un vaccin est d’identifier une protéine invariable et accessible à la surface du virus.
Le phénotype immunitaire : interaction entre le génotype et l’environnement
Le phénotype immunitaire, c’est-à-dire l’ensemble des spécificités des lymphocytes B et T à un moment donné de la vie d’un individu (ou “répertoire” des anticorps et des récepteurs des cellules T) résulte d’une interaction complexe entre le génotype et l’environnement. Grâce à des mécanismes génétiques originaux, l’organisme produit des lymphocytes T et B d’une infinie diversité.
Parmi ces cellules, la très grande majorité, notamment celles qui sont potentiellement dangereuses pour l’organisme (“auto-réactives”), sont éliminées. Celles qui subsistent sont sélectionnées par les antigènes des cellules malades ou des pathogènes présents. Ces cellules sont à l’origine des clones actifs dans la défense immunitaire.
Il en résulte un phénotype qui change sans cesse en s’adaptant à l’environnement (variabilité). La vaccination est un processus artificiel qui fait évoluer ce phénotype immunitaire.

Couplage des événements biologiques et géologiques au cours du temps
À l’échelle des temps géologiques, des modifications brutales et globales liées à des événements planétaires affectent le monde vivant : ce sont les crises. Elles alternent avec des périodes plus longues de relative stabilité.
La limite Crétacé-Tertiaire : un événement géologique et biologique majeur
La limite Crétacé-Tertaire (il y a 65 millions d’années) est caractérisée par l'extinction massive et rapide d'espèces et de groupes systématiques des milieux continentaux et océaniques. Certains groupes survivent à la crise, ils se diversifient rapidement en occupant toutes les niches écologiques.
L'origine de ces événements pourrait être la conjonction de deux phénomènes géologiques. Le premier est lié à la dynamique de la planète et correspond notamment aux conséquences de la mise en place des trapps du Deccan ; le second est associé à la chute d'un astéroïde dont le cratère de Chixulub est la trace.
Les crises biologiques, repères dans l’histoire de la Terre.
Au cours de l’histoire de la Terre, les phénomènes comme la crise Crétacé-Tertiaire ont un caractère exceptionnel. Ils ont une influence majeure sur l’évolution de la biosphère. Durant les 500 derniers millions d'années sont survenues plusieurs crises majeures pour lesquelles des extinctions biologiques massives sont corrélées à :
- des phénomènes géologiques internes (tectonique des plaques, panaches mantelliques et volcanisme associé)
- des phénomènes d’origine extraterrestre (chute d'astéroïdes).

Produit récent de l'évolution biologique, l'Homme a les moyens d’avoir une influence sur l’avenir de la planète.
Changements géologiques et modifications de la biosphère sont interdépendants.

 

Enseignement de spécialité


Du passé géologique à l’évolution future de la planète
Les climats passés de la planète
Les changements du climat des 700 000 dernières années
Les carottes de glace forées dans les calottes polaires et les carottes sédimentaires des fonds océaniques ou lacustres permettent de reconstituer les variations climatiques des 700 000 dernières années.
Les variations locales de la température au dessus des calottes polaires sont déduites de la composition isotopique de l'oxygène (18O/16O) de la glace. Ces variations de température sont corrélées à des variations de concentration en gaz à effet de serre dans l'atmosphère. En dehors des pôles, les variations climatiques locales sont déduites de l’étude de carottes sédimentaires de lacs ou de tourbières.
Les variations globales du volume des calottes glaciaires et des glaciers, représentatives des changements climatiques à l’échelle de la planète, sont déduites de la composition isotopique de l'oxygène (18O/16O) des tests carbonatés dans les sédiments océaniques.
Les variations climatiques montrent des alternances de périodes glaciaires et interglaciaires. Un cycle de 100 000 ans rythme les glaciations. Des cycles de réchauffement-refroidissement sont observés entre deux maximum glaciaires avec des périodes de 43 000, 24 000 et 19 000 ans.
Bilan explicatif : ces périodicités s'expliquent par les variations régulières des paramètres orbitaux de la Terre. Ces paramètres déterminent la répartition et les variations au cours du temps de l’énergie solaire reçue aux différentes latitudes (cf. programme de la classe de seconde).
Cependant, les seules variations de l'ensoleillement n'expliquent pas l'amplitude observée des variations de températures. D'autres phénomènes interdépendants modulent l'effet astronomique. Parmi ces phénomènes, on étudie à titre d’exemple deux d’entre eux :
- les variations de l'albédo de la planète
L’albédo est l’un des facteurs qui contrôle la température de surface de la Terre. Il est fonction entre autres du couvert végétal et de l'extension des calottes polaires qui eux- mêmes dépendent de la température.
- les variations de la teneur en CO2 atmosphérique
Le CO2 participe à l’effet de serre de la planète. Sa concentration dans l’atmosphère est en équilibre avec celle de l’océan. Lorsque la température augmente, la solubilité de CO2 dans l’océan diminue, l’équilibre précédent est déplacé : du CO2 passe de l’océan dans l’atmosphère ce qui induit une augmentation de l’effet de serre.
Les changements climatiques aux plus grandes échelles de temps
Les variations à courtes échelles de temps vues précédemment se superposent à des variations à beaucoup plus grande échelle de temps. On retrouve ainsi dans les roches :
- des traces de périodes glaciaires ;
- des traces de périodes chaudes ;
- des traces de changements brusques du climat.
Les mécanismes des variations climatiques aux grandes échelles de temps impliquent des variations importantes dans la teneur en gaz à effet de serre de l'atmosphère (maximum du CO2 au Crétacé, minimum au Carbonifère par exemple). Ces variations sont contrôlées en particulier par les processus suivants qui libèrent ou consomment du CO2 :
- l'altération des silicates calciques et magnésiens de reliefs orogéniques consomme du CO2 ;
- la précipitation des carbonates libère du CO2 et la dissolution des carbonates consomme du CO2; - le piégeage de la matière organique dans les roches stocke du CO2 ;
- le dégazage du manteau par le volcanisme libère du CO2 dans l’océan et dans l’atmosphère.
Bilan : Envisager les climats du futur.
L'identification des paramètres qui contrôlent le climat de la Terre est essentielle pour construire des modèles climatiques. Les scénarios d'évolution de la température moyenne de la Terre qui, outre la variabilité naturelle du climat, prennent en compte l'impact de l'activité humaine, prévoient un réchauffement de l'ordre de 2 à 5 °C au cours du XXIe siècle. Ce réchauffement à l’échelle du siècle se superpose à un refroidissement constant de plus grande ampleur commencé il y a 20 millions d’années.
Les variations du niveau de la mer
Mise en évidence des variations du niveau de la mer au cours des temps géologiques
Les variations du niveau de la mer modifient la surface des terres émergées.
Les roches sédimentaires par leur nature et leur extension enregistrent les variations relatives du niveau de la mer. Ces variations se manifestent notamment par des transgressions et des régressions sur les continents.
Les causes des variations mondiales du niveau de la mer
Les variations relatives du niveau de la mer à l'échelle mondiale sont contrôlées par le volume d'eau dans les bassins océaniques. On considère que pendant les 200 derniers millions d'années le volume d'eau sous forme de glace, de liquide et de vapeur est constant Les principales causes des variations du niveau de la mer sont :
- la dilatation thermique de l'eau (de 10 à 20 cm par siècle) ;
- la formation et la destruction des calottes polaires (de l’ordre de la centaine de mètres en10000 à100000ans);
- le volume des bassins océaniques (dont la variation peut aller jusqu’à plusieurs centaines de mètres en une dizaine de millions d’années).

Des débuts de la génétique aux enjeux actuels des biotechnologies
Les débuts de la génétique : les travaux de Mendel (1870)
Les travaux de Mendel reposent sur une analyse quantitative d’expériences d’hybridation chez les plantes. Novateurs dans leur méthodologie, ces travaux visaient à obtenir des hybrides stables. Dans un contexte scientifique où les gènes n’étaient pas connus, ils ont apporté une rupture conceptuelle :
- réfutation de la notion d’hérédité par mélange,
- introduction du concept d’hérédité particulaire avec ségrégation indépendante des facteurs héréditaires.
La compréhension des travaux de Mendel repose sur la connaissance des principes de la reproduction sexuée des végétaux.
La théorie chromosomique de l’hérédité
La redécouverte des lois de Mendel et les découvertes dans le domaine de la cytologie à la fin du XIXe siècle conduisent à l’émission de la théorie chromosomique de l’hérédité (1903) par deux cytologistes et à l’invention du mot gène. Les travaux de l’équipe de Morgan sur la drosophile entre 1910 et 1920 corroborent la théorie chromosomique à partir de données expérimentales. Cette théorie, qui contient les notions d’hérédité liée au sexe, de liaison génique et de recombinaison, permet d’expliquer certains cas particuliers qui échappent aux lois de Mendel. Cette théorie a permis d’établir en 1920 les premières cartes génétiques et la notion de gène (unité de fonction, de recombinaison, de mutation).
L’avènement de la biologie moléculaire : une nouvelle rupture
La nature chimique du gène (ADN – double hélice), la relation gène - protéine, les modalités de l’expression génétique, notions déjà étudiées dans les programmes de seconde et de première, doivent être replacées dans une perspective historique. Elles ne sont pas au programme en tant que telles.
La révolution technologique du début des années 70
L’utilisation des enzymes de restriction ouvre la voie du clonage des gènes et de leur séquençage. En contribuant à une évolution importante du concept de gène et de la perception du polymorphisme, elle fait entrer la génétique dans l’ère des biotechnologies.
Les enjeux actuels des biotechnologies
La transgénèse et la construction d’organismes génétiquement modifiés (OGM)
La capacité d’introduire dans un organisme un gène (modifié ou étranger) conduit à la production d’un organisme transgénique acquérant des propriétés nouvelles.
Les biotechnologies et la génétique humaine
- Dépistage et diagnostic génétique Les acquis de la génétique peuvent être mis en œuvre à différents niveaux pour identifier une pathologie d’origine génétique, en évaluer les risques, en prévenir les effets : . dépistage et diagnostic d’une maladie génique (arbres généalogiques) ; . dépistage et signes diagnostiques de la trisomie 21.
- Un enjeu pour l’avenir : la thérapie génique somatique. On peut pallier la déficience d’un gène par une thérapie génique somatique .

Diversité et complémentarité des métabolismes
Du carbone minéral aux composants du vivant : la photo-autotrophie pour le carbone
Dans les écosystèmes des relations trophiques s’établissent entre les producteurs primaires autotrophes et les divers producteurs secondaires hétérotrophes.
Les producteurs primaires de la planète utilisent le carbone du CO2 atmosphérique pour constituer les chaînes carbonées, bases des composants du vivant. Le carbone se trouve à l’état oxydé dans l’atmosphère et à l’état réduit dans la matière constitutive des organismes vivants.
Chez les végétaux supérieurs, le CO2 de l’air pénètre dans les feuilles par les stomates et atteint les chloroplastes des cellules chlorophylliennes, lieu de la réduction photo synthétique du CO2.
Le bilan des transformations (= ensemble de réactions biochimiques catalysées par des enzymes) peut s’écrire : 6CO2 +12H2*O2 = C6H12O6 + 6*O2 + 6H2O
La photosynthèse est la succession de deux phases :
- dans les thylakoïdes, une phase photochimique dans laquelle grâce à la collecte des photons par les pigments, un ensemble d’oxydo-réductions permet l’oxydation de l’eau, la production d’O2, de composés intermédiaires RH2 et ATP (adénosine triphosphate qui se construit à partir d’ADP et de phosphate inorganique) ;
- dans le stroma, une phase non photochimique permet l’incorporation et la réduction du CO2 pour la synthèse de glucides. Elle nécessite un accepteur de CO2, de l'ATP et des composés réduits RH2.
Les composés glucidiques formés par la réduction du CO2 sont exportés hors du chloroplaste vers le cytoplasme des cellules chlorophylliennes ; ils peuvent être temporairement stockés dans le chloroplaste sous forme d’amidon. Dans la cellule chlorophyllienne, les produits initiaux de la photosynthèse permettent essentiellement la synthèse de saccharose mais aussi de tous les autres constituants chimiques des êtres vivants (glucides, lipides, protéines, acides nucléiques...) grâce à un apport d’ions minéraux transportés par la sève brute.
Le saccharose des cellules foliaires, en partie utilisé sur place, est majoritairement exporté hors des feuilles vers d’autres lieux d’utilisation telles que les cellules des zones en croissance et celles des zones de stockage de réserve (graines et organes de réserve, parties pérennes de la plantes, paroi cellulosique et bois).
Les zones non chlorophylliennes d’une plante se comportent comme des parties hétérotrophes d’un être autotrophe.
L’ATP, molécule indispensable à la vie cellulaire
À l’exception du chloroplaste qui effectue des synthèses à partir du carbone minéral, les activités des cellules animales et végétales se traduisent par des synthèses à partir de molécules organiques préexistantes (ex : le glycogène ), par des mouvements (fonctionnement d’un complexe actine-myosine).
Toutes ces activités consomment des intermédiaires métaboliques, en particulier de l’ATP. L’ATP n'est pas stocké, mais régénéré aussi vite qu'il est détruit.
Dégradation des composés organiques et régénération des intermédiaires métaboliques
Toute cellule vivante, isolée ou non, animale ou végétale (autotrophe et non autotrophe), régénère son ATP en oxydant des molécules organiques par processus respiratoire ou fermentaire. Dans le cas d’une molécule de glucose la respiration cellulaire peut être traduite par le bilan des transformations :
C6H12O6 + 6*O2 = 6H2O + 6CO2 +12H2*O
La respiration comporte plusieurs réactions chimiques catalysées par des enzymes. Au cours de ces réactions, la matière carbonée est minéralisée sous forme de CO2.
- La première étape est l’oxydation du glucose en pyruvate ; elle s’accompagne de la production de composés réduits R'H2 (proches des composés RH2 fabriqués au cours de la photosynthèse). Elle se déroule dans le hyaloplasme. L’énergie libérée permet par couplage la synthèse de deux molécules d’ ATP par molécule de glucose oxydé.
C6H12O6 + 2 R' = 2 CH3COCOOH + 2 R'H2
On obtient en même temps 2 ADP + 2 Pi = 2 ATP
- La deuxième étape se déroule dans la matrice des mitochondries. C’est une série de décarboxylations oxydatives, à partir du pyruvate, qui s’accompagne de la production de composés réduits et de synthèse d’ATP.
2 CH3COCOOH + 10 R'+6 H2O = 6 CO2 +10 R'H2
On obtient en même temps 2 ADP + 2 Pi = 2ATP
- La dernière étape se déroule dans les crêtes de la membrane interne des mitochondries. C’est l’oxydation par le dioxygène, des composés réduits produits dans les étapes précédentes. Elle est couplée à la production d'une importante quantité d’ATP.
12 R'H2 + 6 O2 = 12 R' + 12 H2O
On obtient en même temps 32 ADP +  32 Pi = 32 ATP
Par contraste avec l’oxydation complète du substrat liée aux mitochondries, une oxydation incomplète est possible par fermentation. Elle produit un déchet organique, reste du substrat réduit non totalement oxydé lors du processus dégradatif. Cette fermentation permet un renouvellement peu efficace mais réel des intermédiaires métaboliques, ce qui autorise dans le cas de la fermentation alcoolique, une vie sans oxygène.
Bilan structural et fonctionnel d’une cellule vivante
Toute cellule vivante est constamment soumise à un bilan d’entrée et de rejet de matière, qu’accompagnent des conversions énergétiques. La cellule eucaryote est formée de compartiments dans lesquels se déroulent des réactions métaboliques particulières, catalysées par des enzymes spécifiques. La mitochondrie et le chloroplaste proviennent probablement de bactéries qu’une cellule hôte ancestrale aurait adoptées comme endosymbiotes. Le noyau, par l'information génétique qu'il contient, dirige la synthèse des protéines, et donc des enzymes nécessaires au métabolisme de la cellule.
 

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