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.

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.