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mercredi 14 février 2024

3.2 L’évolution comme grille de lecture du monde ET 3.3 L’évolution humaine

3.2 L’évolution comme grille de lecture du monde

Les concepts de biologie évolutive ont une large portée explicative, présentée ici à travers plusieurs exemples. Ils permettent de comprendre l’anatomie comme le résultat d’une longue histoire évolutive, faite d’adaptations (caractères retenus par sélection naturelle), de hasard ( mutations, dérive génétique ), de contingences ( impossibilité de prédire la voie évolutive à un temps donné) et de compromis (entre deux caractères qui se restreignent mutuellement).

Les concepts de variation et de sélection naturelle éclairent des pratiques humaines (médicales et agricoles) et certaines de leurs conséquences.

Savoirs 

Les structures anatomiques présentent des particularités surprenantes d’un point de vue fonctionnel, pouvant paraître sans fonction avérée ou bien d’une étonnante complexité. Elles témoignent de l’évolution des espèces, dont la nôtre.

Les caractères anatomiques peuvent être le résultat de la sélection naturelle mais certains sont mieux expliqués par l’héritage de l’histoire évolutive que par leur fonction.

Le membre chiridien montre différentes configurations de fonction à partir d'une même configuration de structure, héritée d'un ancêtre commun des Vertébrés Tétrapodes.


L’évolution permet de comprendre des phénomènes biologiques ayant une importance médicale (difficultés obstétriques lors de l'accouchement).

L’évolution rapide des organismes microbiens nécessite d’adapter les stratégies prophylactiques, les vaccins et les antibiotiques.

Depuis la révolution agricole, la pratique intensive de la monoculture, la domestication et l’utilisation de produits phytosanitaires ont un impact sur la biodiversité et son évolution.

Savoir-faire

- Expliquer l’origine d’une structure anatomique en mobilisant les concepts de hasard, de variation, de sélection naturelle et d’adaptation (exemple de l’œil).

Anatomie comparée de l'oeil humain et de la pieuvre : la structure est similaire (convergence évolutive) mais la rétine est directe chez la pieuvre (plus efficace du point de vue de l'optique) et inverse chez l'Homme.

L'anatomie complexe d'un organe est contrôlée par plusieurs gènes eux-même sous l'influence d'un gène du développement appelé aussi "gène architecte"

Lors de l'évolution de l'oeil, plusieurs structures dans différents taxon, utilisant des protéines similaires ont eu un succès évolutif : on parle de "bricolage évolutif".


- Interpréter des caractéristiques anatomiques humaines en relation avec des contraintes historiques (comme le trajet de la crosse aortique), des contraintes de construction (comme le téton masculin), des compromis sélectifs (comme les difficultés obstétriques) ou des régressions en cours (comme les dents de sagesse).

L'évolution de la capacités crânienne et de la bipédie (modification de l'os du bassin) ont généré des compromis sélectifs et des difficultés obstétriques. 

Mobiliser des concepts évolutionnistes pour expliquer comment des populations microbiennes pourront à longue échéance ne plus être sensibles à un vaccin (ou un antibiotique) ou comment l’utilisation de produits phytosanitaires favorise le développement de ravageurs des cultures qui y sont résistants.


3.3 L’évolution humaine

La paléoanthropologie construit un récit scientifique de nos origines à partir des archives fossiles. La phylogénie permet d’étudier les relations de parenté entre les espèces actuelles et fossiles d’Hominidés.

Savoirs

L’espèce humaine actuelle (Homo sapiens) fait partie du groupe des primates (ongles et pouce opposable) et est plus particulièrement apparentée aux grands singes (coccyx = absence de queue) avec lesquels elle partage des caractères morpho-anatomiques et des similitudes génétiques (98% de gènes en commun avec le Chimpanzé).

C’est avec le chimpanzé qu’elle partage le plus récent ancêtre commun.

Des arguments scientifiques issus de l’analyse morpho-anatomique (A1 : Crâniométrie) comparée de fossiles permettent de reconstituer l’histoire de nos origines. L’étude de fossiles datés de 3 à 7 millions d’années montre des innovations évolutives caractéristiques de la lignée humaine (bipédie prolongée, forme de la mandibule).

Le genre Homo regroupe l’espèce humaine actuelle et des espèces fossiles qui se caractérisent notamment par le développement de la capacité crânienne. Plusieurs espèces humaines ont cohabité sur Terre (H. sapiens, H. neanderthalensis, H. de denisova).

Arbre phylogénétique du genre Homo et autres Grands Singes actuels ou fossiles




Certains caractères sont transmis de manière non génétique : microbiote, comportements appris dont la langue, les habitudes alimentaires, l’utilisation d’outils (industries lithiques,...)



Savoir-faire

- Analyser des matrices de comparaison de caractères morpho-anatomiques résultant d’innovations évolutives afin d’établir des liens de parenté et de construire un arbre phylogénétique.

- Mettre en relation la ressemblance génétique entre les espèces de primates et leur degré de parenté.

- Positionner quelques espèces fossiles dans un arbre phylogénétique, à partir de l'étude de caractères.

- Analyser des arguments scientifiques qui ont permis de préciser la parenté de Homo sapiens avec les autres Homo, et notamment la parenté éventuelle avec les Néandertaliens ou les Dénisoviens.


mardi 13 février 2024

T1_C2_2_1_La caractérisation de la mobilité horizontale

 T1_C2_2_La dynamique de la lithosphère 

T1_C2_2_1_La caractérisation de la mobilité horizontale 


Connaissances 

La lithosphère terrestre est découpée en une douzaine de plaques animées de mouvements.


Le mouvement des plaques, dans le passé et actuellement, peut être quantifié par différentes méthodes géologiques :

(1) études des anomalies d'origine paléomagnétique,

(2) mesures géodésiques (données GPS, vecteur déplacement)

(3) détermination de l’âge des roches par rapport à la dorsale (âges des roches sédimentaires au toit des pillow-lava de la croûte océanique),

(4) alignements volcaniques intraplaques liés aux points chauds (panache mantellique).

Les vitesses calculées sont comprises en 2 et 15 cm/an selon les plaques.



La mesure des anomalies magnétiques le long de transects perpendiculaires aux dorsales océaniques montrent une répartition symétrique de ces anomalies, anomalies d'autant plus vieilles que l'on s'éloigne de la dorsale.

Les données GPS (à droite) permettent d'alimenter des modèles numériques (à gauche) et ainsi de reconstituer la position des plaques dans le passé ou de prédire leurs positions futures.

l'âge des sédiments les plus anciens déposés sur le plancher océanique, ainsi que l'épaisseur totale des sédiments, augmentent avec la distance à la dorsale.
 

La distinction de l’ensemble des indices géologiques et les mesures actuelles permettent d’identifier : 

(A) des zones de divergence (dorsales océaniques) et 

(B) des zones de convergence (fosse océanique et chaîne de montagnes continentales).

(C) des zones de coulissage.



Ces différentes limites de plaques lithosphériques ont des caractéristiques géologiques différentes :

- les reliefs (dorsale, fosse, chaîne...)

Les différents reliefs de la Terre aux limites des plaques.

- marqueurs sismologiques (plan wadati-Benioff,...)


- thermiques (mesures de flux thermique (docs ci-dessous), et anomalies en tomographique sismique positive donc froide, ou négative donc chaude)
Le flux géothermique correspond à la quantité d'énergie émise par la Terre (1 Watt = 1 Joules / seconde) par unité de surface (m^2).
Le flux géothermique est très important au niveau des dorsales océaniques, et très faible au niveau des fosses océaniques et des cratons (vieilles croûtes continentales).

- pétrologique (volcanisme basique (basalte sous-marin (pillow-lava); volcanisme acide et intermédiaire (rhyolite et andésite)).


Toit d'une coulée de pillow-lavas, coulée de lave fluide basaltique mise en place sous l'eau, au niveau d'une ancienne dorsale océanique. (Sultanat d'Oman)


SCHEMA-BILAN



Capacités 

A5 et A6- Identifier en utilisant des données sismiques et volcaniques les plaques lithosphériques.

A5 et A6 - Analyser des bases de données de vitesse de déplacement (mesure laser, mesures GPS). 

- Analyser et mettre en relation le flux géothermique surfacique et le contexte
géodynamique à partir de cartes des flux géothermiques surfaciques.
A7 et A8 - Étudier des données magnétiques ou sédimentaires permettant d’établir la divergence de part et d’autre de la dorsale.
A8 - Étude de données sur les dorsales (bathymétrie, forages, etc.).

lundi 15 janvier 2024

T1_C2_1_2 L’apport des études sismologiques et thermiques à la connaissance du globe terrestre

T1_C2_La dynamique interne de la Terre 

T1_C2_1_La structure du globe terrestre 

T1_C2_1_2 L’apport des études sismologiques et thermiques à la connaissance du globe terrestre 

Connaissances 

Un séisme résulte de la libération brutale d’énergie (foyer sismique) lors de la rupture et le déplacement de roches (faille) soumises à des contraintes (pression).

Les informations tirées du trajet (réflexion et réfraction des rais sismiques, les "zones d'ombre") et de la vitesse (saut de vitesse, ralentissement) des ondes sismiques P et S  permettent de comprendre la structure interne de la Terre. Ces informations argumentent :

(1) un modèle sismique simple de 3 enveloppes concentriques (croûte – manteau – noyau) : c'est le modèle PREM [ pour Preliminary Reference Earth Model].





(2) un comportement mécanique différent dans le manteau permet de distinguer la lithosphère (croûte+manteau rigide et cassant, environ 100km d'épaisseur) et l'asthénosphère (manteau ductile "mou"). La limite lithosphère/asthénosphère (début du ralentissement des ondes sismique) correspond à l'isotherme 1300°C 

Les études sismologiques montrent les différences d’épaisseur entre la lithosphère océanique et la lithosphère continentale, respectivement 80-100 km et 100-120 km.

L’étude des séismes au voisinage des fosses océaniques permet de différencier le comportement particulier d’une lithosphère cassante par rapport à une asthénosphère plus ductile.

(3) un état du noyau externe liquide et du noyau interne solide (tous les deux riches en fer) grâce à la disparition des ondes S cisaillantes dans les liquides. 


 

La température interne de la Terre croît avec la profondeur (gradient géothermique : T=f(prof)). Le profil d’évolution de la température interne présente des différences suivant les enveloppes internes de la Terre, liées aux modes de transfert thermique : la conduction et la convection. Le manteau terrestre est animé de mouvements de convection, mécanisme efficace de transfert thermique. 

La propagation des ondes sismiques dans la Terre révèle des anomalies de vitesse par rapport au modèle PREM : c'est la méthode de Tomographie sismique. Elles sont interprétées comme des hétérogénéités thermiques au sein du manteau. 


Notions fondamentales : contraintes, transmission des ondes sismiques, failles, réflexion, réfraction, zones d’ombre. 


Capacités 

-  Consulter et exploiter une base de données sismologiques. 

-  Traiter des données sismologiques. 

-  Concevoir une modélisation analogique et réaliser des mesures à l’aide de dispositifs
d’expérimentation assisté par ordinateur, ou des microcontrôleurs pour étudier la propagation d’ondes à travers des matériaux de nature pétrographique différente ou de comportement mécanique différent. 

-  Étudier par expérimentation assistée par ordinateur et/ou par modélisation analogique les paramètres à l’origine des modifications de la vitesse des ondes (nature du matériau, de sa rigidité/plasticité, effet de la température).
-  Étudier la propagation profonde des ondes (zone d’ombre, mise en évidence des discontinuités) en utilisant les lois de Snell-Descartes et/ou mettant en œuvre un modèle analogique pour montrer les zones d’ombre.

-  Utiliser des profils de vitesse et de densité du modèle PREM.
-  Analyser des courbes d’augmentation de la température en fonction de la profondeur (mines, forages) ; croiser des données thermiques, des données de composition chimique, avec les données sismiques pour comprendre le modèle de la structure thermique de la Terre.
-  Calculer la température au centre de la Terre en utilisant le gradient géothermique de surface et apprécier sa validité au regard de l’état physique des matériaux.
-  Réaliser des modèles analogiques pour appréhender la conduction et la convection.
-  Montrer l’existence d’hétérogénéités thermiques dans le manteau par des données de tomographies sismiques, tout en attirant l’attention sur l’amplitude des variations par rapport au modèle PREM.


mercredi 10 janvier 2024

T1_C2_1_1 Des contrastes entre les continents et les océans

 T1_C2_La dynamique interne de la Terre 

T1_C2_1_La structure du globe terrestre 

T1_C2_1_1 Des contrastes entre les continents et les océans 

Connaissances 

La distribution bimodale ( +300m et -4500m) des altitudes observée entre continents et le fond des océans reflète un contraste géologique, qui se retrouve dans la nature des roches et leur densité :


Répartition bimodales des altitudes terrestres


L'étude des affleurements sous-marins montrent une succession récurrente de roches magmatiques dans la croûte océanique : La péridotite (roche mantellique de densité 3,2), puis le gabbro (roche plutonique) et enfin le basalte (roche volcanique) de densité 3.

Structure simplifiée de la croûte océanique

Si la composition de la croûte continentale présente une certaine hétérogénéité visible en surface (roches magmatiques, sédimentaires, métamorphiques (cf classification des roches)), une étude en profondeur révèle que les granites (densité 2,7) en sont les roches les plus représentatives. Cette croûte repose aussi sur de la péridotite du manteau.


Quelques roches à connaître...
le granite
le gabbro
le basalte

la péridotite

Les méthodes d'identification :
(1) Clé de détermination à l'oeil nu (ci-dessus)
(2) Le microscope polarisant

BILAN intermédiaire (schéma incomplet à préciser...)




Capacités A1 :

-  Mettre en relation des cartes et/ou des logiciels de visualisation des reliefs avec la courbe de distribution bimodale. 

-  Utiliser des cartes géologiques (carte géologique mondiale) comme des données d’observation directe (faille VEMA, forages) pour identifier les compositions des croûtes océaniques et continentales. 

-  Utiliser la carte de France au millionième pour identifier la répartition des principaux types de roches sur le territoire.

Capacités A1 suite :

-  Effectuer des mesures de densité sur des roches continentales et océaniques. 

-  Mener une observation comparative des roches des croûtes océanique et continentale
(composition, structure, etc.).