Thème 1 (Chapitre 3) : La Terre, la vie et l’organisation du vivant

1.3 Biodiversité, résultat et étape de l’évolution 

1.3.1 Les échelles de la biodiversité

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 (diversité génétique)
- les différentes espèces* (diversité spécifique) et 
- les différents écosystèmes* (= biocénose* + biotope*) composant la biosphère*.

Les 3 échelles de la biodiversité

 

La notion d’espèce* joue un grand rôle dans la description de la biodiversité observée (classification des êtres vivants, communication entre les scientifiques,...) mais elle est un concept créé par l’être humain qui n'est pas parfait (notion artificielle avec de nombreuses exceptions).

 
La définition de la notion d’espèce a pour principaux critères le fait que les individus d’une même espèce partagent des caractères en communs (phénotype* proche), peuvent se reproduire entre eux et engendrent une descendance viable et fertile (génotype* proche). 

Au sein de chaque espèce, la diversité génétique des individus repose sur la variabilité de l’ADN : c’est la diversité génétique, différents allèles* d'un même gène coexistent dans une même population (exemple du gène ABO avec une diversité de 3 allèles A, B et O).

Les allèles sont issus de mutations* aléatoires dans le génome (modifications de la séquence ATGC d'un gène), qui se sont produites puis transmises au cours des générations.

Les mutations* sont des modifications de la séquence ATGC d'un gène qui ont lieu au hasard dans le génome ou qui peuvent être provoquées par des agents mutagènes issus de l'environnement ou du mode de vie.

 

1.3.2 La biodiversité au cours des temps géologiques

La biodiversité évolue en permanence. Cette évolution est observable sur de courtes échelles de temps (quelques dizaines d'années), tant au niveau génétique (diversité des allèles dans une population) que spécifique (diversité des espèces dans un écosystème). 

L’étude de la biodiversité du passé par l’examen des fossiles montre que l’état actuel de la biodiversité correspond à une étape de l’histoire du vivant. Ainsi, les organismes vivants actuels ne représentent-ils qu’une infime partie des organismes ayant existé depuis le début de la vie, il y a -3,8 milliards d'années. 

Les crises biologiques sont un exemple de modification importante de la biodiversité :

- des extinctions massives (chute "rapide" et globale de la biodiversité), suivies 

- d'une diversification des espèces (augmentation progressive d'une biodiversité d'espèces nouvelles).

De nombreux facteurs (changements climatiques, modifications des biotopes), qui font suite à des événements catastrophiques et planétaires : (volcanisme, météorite,...) et aux activités humaines (déforestation, destruction ou pollution des écosystèmes) provoquent des modifications de la biodiversité. On considère 6 crises biologiques majeures dont la dernière (peut-être la plus importante) est provoquée aujourd'hui par l'Homme.

Les 5 grandes crises biologiques déduites des fossiles et la crise actuelle d'origine humaine

1.3.3 L’évolution de la biodiversité au cours du temps s’explique par des forces évolutives s’exerçant au niveau des populations

La sélection naturelle résulte de la pression du milieu (climat, nourriture,...) et des interactions entre les organismes (compétition, migration,...). Elle conduit au fait que certains individus auront une descendance plus nombreuse que d’autres dans certaines conditions (phénomène non-aléatoire mais orienté par l'environnement).

Toutes les populations se séparent en sous-populations au cours du temps à cause de facteurs environnementaux (isolement géographique par séisme, une île, une chaîne de montagne...) ou de facteurs génétiques (mutations et dérive génétique conduisant à des incompatibilités reproductives : isolement reproductif).

Le graphique (en haut, à droite) illustre la dérive génétique, c'est à dire l'évolution aléatoire au cours des générations de la fréquences des allèles (ici des couleurs) selon le hasard des reproductions sexuées.

L'ensemble de ces forces (mécanismes) évolutives est à l'origine de la spéciation : la formation de nouvelles espèces.

1.3.4 Communication intra-spécifique et sélection sexuelle 

La communication dans le monde vivant consiste en la transmission d’un message entre un organisme émetteur et un organisme récepteur pouvant modifier son comportement en réponse à ce message. 

La communication s’inscrit dans le cadre d’une fonction biologique (nutrition, reproduction, défense, etc.). Il existe une grande diversité de modalités (natures) de communication (chimique, biochimique, sonore, visuelle, hormonale).

Dans le monde animal, la communication interindividuelle et les comportements induits peuvent contribuer à la sélection naturelle à travers la reproduction. C’est le cas pour la sélection sexuelle entre partenaires (majoritairement faite par les femelles). 

Des difficultés dans la réception du signal (VOIR LE TP : Pouillot verdâtre en Asie) peuvent générer sur le long terme un isolement reproducteur entre organismes de la même espèce et être à l’origine d’un événement de spéciation.

SCHEMA-BILAN de la SPÉCIATION

2_SVT_Organismes unicellulaires de la mare sud Lycée Bergson

 

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.

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.

Structure simplifiée de la croûte continentale

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.).

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.