T3_C1_1_Evaluer la biodiversité

 Thème 3 : Une histoire du vivant

Rappel Seconde :

Le terme de biodiversité* est utilisé pour désigner la diversité du vivant et sa dynamique aux différentes échelles :

- les variations entre membres d'une même espèce au sein d'une population* : la diversité génétique (= diversité des allèles*)

- les différentes espèces* des différents taxons* au sein des écosystèmes : la diversité spécifique,

- les différents écosystèmes* (= biocénose* + biotope*) au sein de la biosphère*.

Les trois niveaux de biodiversité sont emboîtés et définissent la biosphère

    La Terre est habitée par une grande diversité d’êtres vivants. Cette biodiversité est dynamique et issue d’une longue histoire dont l’espèce humaine fait partie. L’évolution constitue un puissant outil de compréhension du monde vivant. Les activités humaines se sont transformées au cours de cette histoire, certaines inventions et découvertes scientifiques ont contribué à l’essor de notre espèce. 

T3_C1_La biodiversité et son évolution

T3_C1_1_Evaluer la biodiversité

Évaluer la biodiversité à différentes échelles spatiales et temporelles représente un enjeu majeur pour comprendre sa dynamique et les conséquences des actions humaines.

Savoirs

Il existe sur Terre un grand nombre d’espèces dont seule une faible proportion est effectivement connue.

La biodiversité se mesure par des techniques d’échantillonnage de spécimens (voir A2 : Méthode des Quadrats) ou ADN (voir A1 : Barcoding et Métabarcoding) qui permettent d’estimer la richesse spécifique, c'est-à-dire le nombre d’espèces dans différents milieux. Les composantes de la biodiversité peuvent aussi être décrites par l’abondance d’une espèce ou d’un plus grand taxon, c'est à dire le nombre d’individus d’une population pour une espèce ou un taxon. 

Il existe plusieurs méthodes permettant d’estimer un effectif à partir d’échantillons. La méthode de « capture-marquage-recapture » (voir A3 : CMR) repose sur des calculs effectués sur un échantillon. Si on suppose que la proportion d’individus marqués est identique dans l’échantillon de recapture et dans la population totale, l’effectif de celle-ci s’obtient par le calcul d’une quatrième proportionnelle. 

La démonstration faite en classe est à connaître.
Dans ce cas : N = (M x m) / n

À partir d’un seul échantillon, l’effectif d’une population peut également être estimé à l’aide d’un intervalle de confiance. Une telle estimation est toujours assortie d’un niveau de confiance strictement inférieur à 100 % en raison de la fluctuation des échantillons. Pour un niveau de confiance donné, l’estimation est d’autant plus précise que la taille de l’échantillon est grande.

La dernière formule simplifiée de IC95%, ci-dessus, est à connaitre et à comprendre.
(ici f est la fréquence d'un caractère, n est l'effectif total de l'échantillon où l'on observe cette fréquence)

Savoir-faire

A1 & A2 - Exploiter des données obtenues au cours d’une sortie de terrain ou d’explorations scientifiques (historiques et/ou actuelles) pour estimer la biodiversité (richesse spécifique et/ou abondance relative de chaque taxon). 

A2 - Quantifier l’effectif d’une population ou d’un taxon plus vaste à partir de résultats d’échantillonnage. 

A3 - Estimer une abondance par la méthode de capture, marquage, recapture, fondée sur le calcul d’une quatrième proportionnelle.
A3 - À l’aide d’un tableur, simuler des échantillons de même effectif pour visualiser la fluctuation d’échantillonnage (moyenne et écart-type). 

A3 - En utilisant une formule donnée pour un intervalle de confiance au niveau de confiance de 95 %, estimer un paramètre inconnu dans une population de grande taille à partir des résultats observés sur un échantillon.

BILAN : 

Transition : L'évaluation répétée des populations montrent qu'elles évoluent au cours du temps. Des modèles mathématiques probabilistes et des outils statistiques permettent d’étudier les mécanismes évolutifs impliqués.

T1_C1_4_L’expression du patrimoine génétique

T1_C1_4_L’expression du patrimoine génétique 

    T1_C1_4_1 Les étapes de l'expression des gènes

La séquence de l'ADN, succession des quatre désoxyribonucléotides (A - T, G - C) le long des brins complémentaires de la molécule, est une information. Cette information est transmise de générations en générations.

A5 :

-  Mener une démarche historique ou une étude documentaire permettant de comprendre comment les ARN messagers ont été découverts.
-  Rechercher et exploiter des documents montrant la synthèse et la présence d'ARN dans différents types cellulaires ou dans différentes conditions expérimentales.

À chaque génération, cette information est exprimée par l’intermédiaire d’un autre acide nucléique : l’ARN.

Comparaison de la molécules d'ARN et d'ADN

L'ARN est une molécule simple brin (linéaire : ARNpm, ARNm, ou avec une structure 3D : ARNt, ARNr,..) constituée de quatre ribonucléotides complémentaires (A - U ; G - C)

Les molécules d'ARN sont synthétisées par complémentarité des nucléotides à partir de l'ADN (brin transcrit) lors d’un processus dénommé transcription mettant en jeu un complexe de protéines enzymatiques dont l'ARN polymérase.

Electronographie de la transcription de l'ADN en ARNpm

vidéo de la modélisation moléculaire du complexe enzymatique de la Transcription

Chez les eucaryotes, la transcription a lieu dans le noyau et certains des ARN formés, après maturation éventuelle (épissage simple ou épissage alternatif de l'ARNpm en ARNm), sont exportés dans le cytoplasme.

Le transfert des ARN de l'intérieur du noyau vers le cytoplasme s'effectue via les pores nucléaires, des canaux protéiques qui traversent l'enveloppe nucléaire.

Les méthodes de marquage moléculaire (fluorescence et autoradiographie) et de microscopie électronique (cryofracture, ombrage aux métaux lourds) ont permis de localiser les structures et visualiser le parcours de l'ARN dans la cellule.

Parmi tous les ARN, se trouvent les ARN messagers (ARNm) qui dirigent la synthèse de protéines lors d’un processus dénommé traduction.

Bilan 1 :

 

T1_C1_4_2 Le code génétique

Le code génétique est un système de correspondance, universel à l’ensemble du monde vivant, avec des redondances (plusieurs codons (un codon = 3 ribonucléotides) codent pour un même acides aminés) qui permet la traduction de l’ARN messager en polypeptides (futures protéines).  

L'information génétique portée par une molécule d'ARN messager (ARNm = message génétique) est ainsi convertie en une information fonctionnelle (la séquence des acides aminés de la protéine) : c'est la traduction.

T1_C1_4_3 L'expression des gènes à l'origine du phénotype

Le phénotype résulte de l’ensemble des produits de l’ADN (protéines et ARN) présents dans la cellule. Il dépend du patrimoine génétique (le génotype) et de son expression (facteurs de transcription). L’activité ou l'expression des gènes de la cellule est régulée sous l’influence de facteurs internes à l’organisme (développement) et de facteurs externes (réponses aux conditions de l’environnement). 

Le phénotype à différente échelle est contrôlé par des facteurs internes et par des facteurs externes en utilisant l'intermédiaire de facteur de transcription.

La différenciation cellulaire : l'expression des gènes responsables de la spécialisation cellulaire est estimée par la présence des ARNm correspondant, par exemple grâce à des puces à ADN.

L'expression des gènes est contrôlée par des facteurs de transcription (exemple du second messager de l'hormone EPO, contrôle de l'expression des gènes de l'hémoglobine)

Notions fondamentales : transcription, traduction, pré-ARNm, ARNm, codon, riboses, génotype, phénotype. 

Objectifs : les élèves relient un gène à ses produits (ARN et protéines) et comprennent ainsi que l’existence d'une étape intermédiaire (ARN) permet de nombreuses régulations. Ils appréhendent la différence essentielle entre information et code. 

Capacités 

-  Calculer le nombre de combinaisons possibles de séquences de n nucléotides de longueur quand n grandit. Comparer à un code binaire utilisé en informatique.
-  Calculer le nombre de combinaisons possibles de séquences de n acides aminés quand n grandit. Comparer au calcul réalisé pour l’ADN.
-  Mener une démarche historique ou une étude documentaire sur le séquençage des macromolécules (protéines, ARN et ADN).
-  Mener une démarche historique ou une étude documentaire permettant de comprendre comment les ARN messagers ont été découverts.
-  Rechercher et exploiter des documents montrant la synthèse et la présence d'ARN dans différents types cellulaires ou dans différentes conditions expérimentales.
-  Étudier les expériences historiques permettant de comprendre comment le code génétique a été élucidé.
-  Concevoir un algorithme de traduction d’une séquence d’ARN et éventuellement le programmer dans un langage informatique (par exemple Python).
-  Rechercher et exploiter des documents montrant la synthèse de protéines hétérologues après transgénèse (illustrant l’universalité du code génétique).
-  Caractériser à l’aide d’un exemple les différentes échelles d’un phénotype (moléculaire, cellulaire, de l’organisme).

Précisions : les nombreuses catégories d'ARN, les processus de maturation des ARN, et les processus moléculaires de transcription et de traduction (avec les ARNt et ARNr) sont hors programme. 

T1_C1_2 La réplication de l’ADN

 T1_C1_2 La réplication de l’ADN

Préambule :

L'Histoire de la découverte de l'ADN : sa composition, sa structure et sa fonction

Chaque chromatide d’un chromosome est constituée d'une longue molécule d'ADN associée à des protéines structurantes, les histones.  Cette association ADN/Histones forme la chromatine, une forme faiblement condensée de l’ADN permettant encore sa lecture ou sa recopie.

Les deux états de l'ADN : les chromatines

BILAN A2 : Au cours de la phase S de la mitose, l’ADN subit une recopie, appelée la réplication semi-conservative. Il s’agit de la formation de deux copies qui, en observant les règles d’appariement des bases complémentaires ( Adénine -Thymine ; Guanine - Cytosine), conservent chacune la séquence des nucléotides de la molécule initiale. 

Réplication sur deux générations g1 et g2
(en jaune : l'ADN parent ; en blanc : l'ADN néosynthétisé)

Cette synthèse d’ADN est assuré par un ensemble d’enzymes dont l’ADN polymérase. Le chromosome est alors formé de deux chromatides identiques, on parle de chromosome double ou bichromatidien.

Ainsi, les deux cellules provenant par mitose d'une cellule initiale possèdent exactement la même information génétique. Dans les tissus somatiques, la succession de mitoses produit un ensemble de cellules, toutes génétiquement identiques que l’on appelle des clones. 

PCR : une biotechnologie issue de la découverte des enzymes de la réplication

Notions fondamentales : réplication semi conservative, ADN polymérase, clone.

Objectifs : savoir comment relier l'échelle cellulaire (mitose, chromosomes) à l'échelle moléculaire (ADN).

Capacités

- Présenter une démarche historique sur l’identification ou la composition chimique des chromosomes.

- Calculer la longueur totale d’une molécule d’ADN dans un chromosome et de l’ensemble de l’ADN d’une cellule humaine ; comparer avec le diamètre d’une cellule. Calculer la longueur d’ADN de l’ensemble des cellules humaines.

- Exploiter les informations d’une expérience historique ayant permis de montrer que la réplication est un mécanisme semi-conservatif.

- Utiliser des logiciels ou analyser des documents permettant de comprendre le mécanisme de réplication semi-conservative.

- Observer des images montrant des molécules d'ADN en cours de réplication.

- Calculer la vitesse et la durée de réplication chez une bactérie (E. coli) et chez un eucaryote.

- Concevoir et/ou réaliser une réaction de PCR (amplification en chaîne par polymérase) en déterminant la durée de chaque étape du cycle de PCR. Calculer le nombre de copies obtenues après chaque cycle.

T1_C1_1 Les divisions cellulaires des eucaryotes

T1_La Terre, la vie et l’organisation du vivant

T1_C1_Transmission, variation et expression du patrimoine génétique

T1_C1_1 Les divisions cellulaires des eucaryotes

    Les chromosomes sont des structures universelles aux cellules eucaryotes (organismes dont les cellules possèdent un noyau, et des organites).

    BILAN A1 : À chaque cycle de division cellulaire divisé en 4 phases, chaque chromosome à une chromatide (phase G1) est dupliqué (duplication lors de la phase S, pour Synthèse d’ADN) et donne un chromosome à deux chromatides (phase G2), chacune transmise à une des deux cellules filles obtenues par division cellulaire. C’est la base de la reproduction conforme.

Chez les eucaryotes, les chromosomes subissent une alternance de condensation (division cellulaire) et de décondensation (phase G1, S et G2) au cours d’un cycle cellulaire complet.

    La division cellulaire mitotique (ou mitose) est une reproduction conforme. Elle est divisée en 4 étapes successives : Prophase, Métaphase, Anaphase et Télophase. Il en résulte que toutes les caractéristiques du caryotype (nombre et morphologie des chromosomes) de la cellule parentale (cellule mère) sont conservées dans les deux cellules filles. Elle concerne l’ensemble des cellules du corps, les cellules somatiques, particulièrement dans les tissus en croissance, ou en renouvellement, mais aussi dans les tumeurs cancéreuses.

^ SAVOIR REDESSINER

La mitose observée avec trois microscopies (MO, MEB, MCF)

    

    BILAN A3 : Dans les cellules germinales, lors de la gamétogénèse, la méiose conduit à quatre cellules haploïdes ( à n chromosomes), qui ont, chacune, la moitié des chromosomes de la cellule diploïde initiale (à 2n chromosomes), soit un des deux chromosomes de chacune des paires par gamètes.

    Contrairement à la mitose, lors de la l'anaphase 1 de la méiose 1, on observe la séparation des deux chromosomes homologues bichromatidiens de chaque paires. La cellule diploïde à 2n chromosomes forme deux cellules haploïdes à n chromosomes. Lors de l'anaphase 2 de la méiose 2, ce sont les deux chromatides de chaque chromosome qui se séparent au niveau du centromère. Il se forme alors quatre cellules à n chromosomes monochromatidiens.

Les deux divisions de la méiose (2n = 2) (SAVOIR REDESSINER)

Les étapes de la méiose vues au MO (gamétogénèse du Criquet Pélerin 2n=22+X0)

Synthèse de la méiose (2n=4)

    Lors de la mitose et le méiose, le déplacement des chromosomes ou des chromatides est réalisé par une structure intracellulaire temporaire appartenant au cytosquelette : le fuseau mitotique ou méiotique. Il est constitué de filaments de protéines (tubulines) permettant la traction des molécules d’ADN de part et d’autre de la cellule en division

L’image du caryotype d’une cellule (ensemble des chromosomes contenu dans un noyau cellulaire) peut être réalisée par blocage de la mitose lors de la métaphase ( ajout de colchicine, un inhibiteur du fuseau mitotique), lorsque que les chromosomes sont condensés mais non séparés. Le caryotype peut montrer des anomalies (aneuploïdies) ou des spécificités (gamètes).

   

Notions fondamentales : diploïde, haploïde, méiose, phases du cycle cellulaire eucaryote : G1, S (synthèse d'ADN), G2, mitose (division cellulaire), fuseau mitotique ou méiotique.