partie du programme
le cours de Sébastien Gruszka
Thème 1 - Diversité et complémentarité des métabolismes.

Thème 2 - Du passé géologique à l’évolution future de la planète.

Thème 3 - Des débuts de la génétique aux enjeux actuels des biotechnologies.

Les documents utilisés sont des documents personnels ou du manuel Hatier (quand n° de page indiqué).

 

Thème 1 - Diversité et complémentarité des métabolismes (10 semaines).

On appelle métabolisme l'ensemble des réactions chimiques qui permettent à un être vivant de réaliser ses différentes fonctions .

Tous les êtres vivants sont composés de matières minérales (eau, ions…) et de matières organiques (glucides, lipides, protides)

Quelle est l’origine du carbone qui constitue la matière organique des êtres vivants ?

Chapitre 1 : Origine du carbone de la matière organique, cycle du carbone.

I. Les transferts de matière dans l’écosystème forestier.

TP litière : récolte, détermination des animaux de la litière + mise en place d’un réseau alimentaire à l’aide de leurs régimes alimentaires.

A. Réseau trophique de la litière.

Dans un écosystème, des relations trophiques s’établissent, on dit qu’il y a relation trophique lorsqu’un être vivant consomme la matière organique et minérale d’un autre organisme vivant ou mort.

On appelle réseau trophique l’ensemble des relations alimentaires dans un écosystème.

L’écosystème est l’ensemble des organismes et des facteurs physico-chimiques d’un milieu donné.

B. Relation entre le métabolisme et la position dans le réseau trophique.

  • Dans la plupart des écosystèmes, les végétaux chlorophylliens constituent le premier maillon des réseaux trophiques.

Les végétaux chlorophylliens fabriquent donc de la matière organique sans consommer celle d’un autre être vivant ; on dit qu’ils sont autotrophes. Comme ce sont les premiers êtres vivants du réseau trophique à produire de la matière organique, on les appelle des producteurs primaires.

  • Tous les autres êtres vivants du réseau trophique sont des producteurs secondaires ; ils consomment la matière organique d’un autre organisme pour fabriquer leur propre matière organique. Ce sont des hétérotrophes.

Dans les écosystèmes des relations trophiques s’établissent entre les producteurs primaires autotrophes et les divers producteurs secondaires hétérotrophes.

Cette matière organique que s’échangent les êtres vivants est composée essentiellement de l’élément chimique C (carbone).

Un écosystème est donc le siège d’un flux de C.

On va s’intéresser aux premiers êtres vivants qui incorporent ce C dans la matière organique, puisque ce sont eux qui la fabriquent : les végétaux chlorophylliens.

Pb: Quelle est l’origine du carbone de la matière organique et quel est son devenir dans le végétal chlorophyllien ?

Hyp : Le carbone incorporé dans la matière organique viendrait du atmosphérique.

II. Origine du carbone incorporé dans la matière organique

Recherche d’un protocole expérimental = marquage du carbone du

Q1 : On retrouve du carbone radioactif dans la feuille : le atmosphérique est donc bien incorporé dans les végétaux chlorophylliens.

Q2 : On observe une augmentation du glucose et de l’amidon radioactifs ce qui montre que le C* du * est incorporé dans cette molécule : C 6*H 12O 6. (glucose)

Les producteurs primaires utilisent le carbone du atmosphérique pour constituer les chaînes carbonées, bases de la constitution des êtres vivants.

Q3 :

Le carbone se trouve dans l’atmosphère à l’état oxydé ( ) et à l’état réduit dans la matière constitutive des organismes vivants.

Q4 :

III. Le bilan des flux d’un écosystème

  • Doc 4 p 49
  • Calcul sur 1 an
  • Etablissement du cycle du carbone dans l’écosystème forestier
  • Proposer un cycle du carbone ou apparaissent les mots :
    • Dioxyde de carbone
    • Matière organique
    • Producteurs primaires ou autotrophes
    • Producteurs secondaires ou hétérotrophes
    • Producteurs secondaires : décomposeurs.
    • Carbone oxydé
    • Carbone réduit
    • Respiration
    • Photosynthèse

Un écosystème est à la fois un producteur de matière organique (producteur primaires et secondaires) mais également un consommateur ou un décomposeur de matière organique (cellules non chlorophylliennes d’un primaire, cellules des secondaires).

Il y a équilibre dans un écosystème quand ces deux flux s’équilibrent.

Il existe une exception lorsque de la matière organique n’est pas décomposée mais qu’elle se trouve conservée sous la forme de roche riche en matière organique (charbon, pétrole par exemple).

La réaction qui permet la synthèse de matière organique à partir du carbone du atmosphérique en présence de lumière porte le nom de « photosynthèse ».

Comment les plantes chlorophylliennes parviennent-elles à synthétiser de la matière organique à partir de matière minérale en utilisant l’énergie solaire ?

Chapitre 2 : La photosynthèse : la photoautotrophie au carbone.

Quel est le lieu de production de la matière organique ?

I. Localisation du lieu de production de la MO chez les végétaux chlorophylliens

A. Localisation de la photosynthèse dans le végétal.

Exercice doryphores :

Q2 : L’attaque des doryphores provoquent une diminution de la masse moyenne des tubercules, donc une diminution de la quantité d’amidon fabriqué. Or les doryphores dévorent les feuilles. On peut donc conclure que les feuilles sont le lieu de la synthèse de la matière organique.

Les organes animaux et végétaux sont composés de cellules.

Quelles sont les cellules responsables de l’incorporation du C du dans la matière organique ?

B. Localisation de la photosynthèse au niveau cellulaire

1) Les cellules impliquées dans la photosynthèse.

Pour trouver les cellules capables de réaliser la photosynthèse, on doit connaître la composition d’une feuille.

Schéma coupe de feuille + livre 9 p52 +observation micro + fiche technique

Q orale : A partir de ce schéma, émettre des hypothèses concernant les cellules synthétisant la matière organique.

  • Hypothèse 1 : Les cellules épidermiques fabriquent la matière organique.
  • Hypothèse 2 : Les cellules chlorophylliennes fabriquent la matière organique.

Q orale : Donnez la conséquence vérifiable de l’hypothèse 2 :

CT : Si cette hypothèse est vraie, alors en supprimant les cellules chlorophylliennes, la production de matière organique ne doit pas avoir lieu.

Question : A partir de l’expérience proposée, en expliquant la réponse, donner le type cellulaire responsable de la synthèse de matière organique.

TP ou livre p 50 doc 6

 Partie de la feuille sans chlorophylle -> pas d’amidon, or il existe des cellules épidermiques donc la matière organique est fabriquée par les cellules chlorophylliennes.

Où s’effectue, dans les cellules chlorophylliennes, la synthèse de matière organique ?

Emettre une hypothèse en relation avec le problème posé. [B4]

C’est impossible car pour émettre une hypothèse, il est indispensable de connaître les organites d’une cellule chlorophyllienne.

2) L’organite impliqué dans la photosynthèse

Q1 :

Hyp : Noyau ou vacuole ou chloroplaste

Q2 : Si l’hypothèse est vraie alors les chloroplastes des cellules chlorophylliennes placées à la lumière se colorent en bleu par l’eau iodée.

Q3 : Test : Feuilles d’Elodées exposé préalablement à la lumière + eau iodée + observation microscopique.

Témoin : Feuilles d’Elodées exposé préalablement à la l’obscurité + eau iodée + observation microscopique.

TP recherche de l’organite impliqué dans la photosynthèse

Q4 : Une coloration violette s’observe uniquement dans les chloroplastes des cellules de feuille placées à la lumière. Le chloroplaste est donc l’organite cellulaire fabriquant la matière organique, c’est à dire la réduction du .

Comment les végétaux absorbent-ils le dioxyde de carbone ?

II. L’apport en .

A. Recherche de l’organe chez les végétaux supérieurs.

  • Hypothèse sur les possibilités du lieu d’absorption :
  • Recherche des conséquences testables
  • Elaboration de protocoles expérimentaux avec utilisation de *

schéma

Doc d2 p50

B. Recherche du lieu de pénétration sur la feuille

  • A l’aide du schéma de la coupe transversale de feuille, proposer une hypothèse répondant à ce problème.

Hyp : Des orifices présents dans la cuticule et les cellules épidermiques permettent l’entrée du dans la feuille.

  • Ecrire le protocole expérimental permettant de vérifier cette hypothèse
  • Prélever l’épiderme d’une feuille et l’observer au microscope optique.

TP : Recherche du lieu de pénétration du dans la feuille

Doc a p 52

Q3 : Les cellules stomatiques ménagent un orifice qui permet l’entrée du dans la feuille.

Q4 : trajet + annoté stomate….

Chez les végétaux supérieurs, le de l’air pénètre dans la feuille par les stomates et atteints les chloroplastes des cellules chlorophylliennes, lieu de la réduction photosynthétique du .

D’où proviennent les autres atomes constitutifs de la matière organique ? H et O ?

III. L’origine des autres constituants de la matière organique.

Expérience de marquage radioactif.

L’oxygène de la matière organique provient du dioxyde de carbone absorbé par le végétal chlorophyllien. L’oxygène de la molécule d’eau est libéré par le végétal chlorophyllien sous la forme d’une molécule de dioxygène.

L’hydrogène provient de la molécule d’eau.

Le bilan des transformations peut s’écrire :

  • Expérience + doc 4 p 53
  • Schéma bilan à annoter

L’eau provient du sol, elle y est absorbée au niveau des racines. Dans la plante cette solution constitue la sève brute.

Quel est le processus qui va permettre de « transformer » le atmosphérique en glucose ?

IV. L’intégration du CO2 dans la matière organique

Exercice Calvin

Q1 :

Document 1 : la 1 ère molécule fabriquée est l’APG, ensuite il y synthèse d’hexoses phosphates et de C5P2, viennent ensuite des acides aminés. On peut donc supposer que l’APG est fabriqué à partir du .

Q2 :

Documents 2a :

  • A la lumière égale quantité d’APG et de C5P2.
  • A l’obscurité : APG augmente alors que C5P2 diminue.
  • La photosynthèse ayant lieu à la lumière, on peut supposer qu’à l’obscurité la synthèse de certaines molécules s’arrête mais pas celle d’APG.
  • Comme le C5P2 diminue, il est plus consommé que synthétisé, on peut supposer que l’APG est fabriqué à partir du C5P2 qui lui n’est fabriqué qu’en présence de lumière.

Document 2b :

  • En absence de , C5P2 augmente, il est synthétisé alors que APG diminue, il n’est pas synthétisé.
  • Le C5P2 est donc la molécule qui incorpore du pour donner de l’APG à la lumière comme à l’obscurité (doc2a)

  • Le C5P2 est formé à partir d’une autre molécule (sans qu’il y ait besoin de ) car il continue à augmenter.

Document 3 :

  • L’APG diminue alors que les sucres augmentent.
  • l’APG donne ensuite naissance à des sucres.

Document 4 :

  • A la lumière les quantités des 2 molécules sont stables.
  • Quand on passe à l’obscurité on retrouve les résultats de l’expérience 2a.
  • Quand on fournit ATP et RH2 on revient au même niveau qu’avec la lumière.
  • Il y a donc d’abord synthèse de C5P2 et utilisation des APG pour formé des sucres.
  • On revient a un niveau d’équilibre ou il y a autant de synthèse que de consommation des 2 molécules (stabilité).
  • Les synthèse de molécules organiques ne nécessite pas de lumière à condition que l’on fournisse au végétal des molécules : l’ATP et les RH2 à cette synthèse est non photochimique.
  • Comme l’absence de lumière bloque la synthèse de C5P2, on peut supposer que l’ATP et/ou les RH2 intervient au moins dans la synthèse de C5P2.

Dans le chloroplaste, une phase non photochimique (ne nécessitant pas de lumière) permet l’incorporation et la réduction du pour la synthèse de glucides.
Cette phase non photochimique met en jeu différentes molécules organiques intermédiaires, notamment un accepteur de , le C5P2, mais aussi l’APG et le C3P.
Ces molécules intermédiaires sont régénérées de façon cyclique.
Cette phase nécessite également de l’ATP et des composés réduits : RH2.

Où se déroule cette phase non photochimique d’incorporation du dans la MO ?

Doc localisation

Q1 : L’enzyme qui permet l’incorporation du est la Rubisco.

D’après la migration obtenue on constate que les 2 sous unités de la Rubisco sont présentes dans le chloroplaste entier et également dans le stroma mais pas dans les thylakoïdes. On peut donc en déduire que la Rubisco est localisée dans le stroma et que c’est donc dans ce stroma que se fait l’incorporation du .

Q2 : D’après le doc 3 l’ATP est produit dans les thylakoïdes car on y trouve des ATP synthases.

Les RH2 sont également produit dans ces thylakoïdes où l’on trouve des transporteurs d’électrons et d’hydrogène.

Point sur ce que l’on connaît :

  • Comment C est intégré dans la MO = cycle de Calvin
  • Ce qu’il reste à comprendre :
    • Rôle de la lumière
    • Synthèse de RH2 et ATP dans les thylakoïdes.

Pb : Quel est le rôle de la lumière ?

Comment sont synthétisés RH2 et ATP ?

Comment se réalise la réaction : ?

V. Rôle de la lumière, origine de l’ATP et RH2.

Doc 7b p51 

La photolyse de l’eau à lieu à la lumière.
On peut remplacer la lumière par RH2 et ATP (doc4) : la lumière doit jouer un rôle dans leur synthèse.
La lumière doit certainement jouer un rôle dans les 2 cas.

Oxydant : sp chim qui peut capter des e- ou h+ au cours d’une réaction
Réducteur : sp chimique qui peut céder des e- ou H+

 Hyp : ces 2 réactions sont couplées nécessitent de la lumière et se déroulent dans les thylakoïdes.

Si elles le sont alors sur des thylakoïdes isolés exposés à la lumière ne doivent produire du dioxygène que s’il existe un accepteur d’hydrogène (éventuellement d’électrons) = oxydant

 TP Hill

  • A l’obscurité pendant 1 minute le taux d’ diminue légèrement.
  • Quand on ouvre les volets le taux d’ continue à diminuer.
  • Quand on ajoute l’oxydant on observe une forte augmentation du taux d’.
  • Quand on repasse à l’obscurité, il n’y a plus augmentation du taux de mais on observe de nouveau une diminution du taux de dioxygène.

On peut donc en déduire que :

  • Sans accepteur il n’y a pas de libération de dioxygène (à la lumière comme à l’obscurité)
  • Avec accepteur et lumière il y a libération de dioxygène
  • Avec accepteur et sans lumière, pas de libération de dioxygène (fin de l’expérience)

Nos 2 réactions sont bien couplées :

On a donc dans les thylakoïdes, une réaction d’oxydoréduction se déroulant à la lumière qui permet la photolyse de l’eau (dégagement d’) et la formation de RH2

Remarque : le n’est pas nécessaire dans cette réaction

Doc 23a p57

  • On observe qu’avec de la lumière la quantité d’ATP augmente fortement.
  • A l’obscurité, la quantité d’ATP n’augmente pas.

On en déduit que dans le thylakoïde, à la lumière la réaction d’oxydoréduction s’accompagne d’une formation d’ATP.
La lumière est indispensable à cette réaction.
Le n’est toujours pas nécessaire dans cette réaction

Un accepteur fait le lien entre la photolyse de l’eau et l’assimilation du dans le cycle de calvin.

La lumière est la source d’énergie qui permet a toutes aux réactions d’oxydoréductions et de production d’ATP de se dérouler.

On n’a toujours pas parlé d’une molécule importante : la chlorophylle.

Quel est le rôle de la chlorophylle ?

Localisation : doc Rubisco

Hyp : la chlorophylle absorbe les photons de la lumière et convertit l’énergie lumineuse pour permettre la photolyse de l’eau et les oxydoréductions.

VI. Les propriétés de la chlorophylle.

A. Extraction de la chlorophylle.

TP : Extraction de la chlorophylle + spectroscope

Par migration on observe la migration de plusieurs pigments = 2 types de chlorophylle et carotènes.

B. Spectre d’absorption de la chlorophylle brute.

Doc 15, 16 p54

La solution de chlorophylle brute absorbe certaines radiations lumineuses : les longueurs d’ondes violet bleu et rouge.
On obtient le spectre d’absorption de la chlorophylle brute.
Les pigments chlorophylliens absorbent plus certaines longueurs d’ondes.

CT : Si notre hypothèse est vraie alors la photosynthèse doit être plus efficace pour les longueurs d’ondes qui sont les plus absorbées.

C. Actions de radiations lumineuses sur la photosynthèse

Expérience d’Engelman p55

Les bactéries se répartissent où il y a le plus de dioxygène c'est-à-dire ou les algues ont été éclairées par de la lumière violette, bleu ou rouge. C’est donc avec ces radiations les mieux absorbées par les pigments chlorophylliens que la photosynthèse a été la plus efficace car c’est là qu’il y a eu le plus de dégagement d’.

Doc 19 b p55

On obtient le spectre d’action (def livre)
On observe que les spectres d’absorption et d’actions sont //.

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’oxydoréductions permet l’oxydation de l’eau, la production d’O2, de composées intermédiaires RH2 et ATP (Adénosine triphosphate qui se construit à partir de l’ADP et le phosphate inorganique).

- dans le stroma, une phase non photochimique permet l’incorporation et la réduction du pour la synthèse des glucides. Elle nécessite un accepteur de , de l’ATP et des composés réduits RH2.

Que deviennent les molécules de glucides produites lors de la photosynthèse ?

Chapitre 3 : Devenir des molécules organiques dans le végétal chlorophyllien.

I. La synthèse des différentes molécules organiques.

A. Les composés glucidiques formés dans le chloroplaste.

Rappel : on trouve de l’amidon dans les chloroplastes de cellule d’élodée éclairée.
Si on met ces cellules à l’obscurité : disparition de l’amidon des chloroplastes = le stockage n’est que temporaire.

B. La synthèse des autres molécules organiques

Localisation des exportations de saccharose.

Mise en évidence des réserves dans différents organes ( travail par binôme, chaque binôme recherche le un type de stockage dans les organes puis mise en commun avec tableau simple récapitulatif mis en relation avec le schéma de synthèse de la matière organique précédemment établi.

 Document 2 :

  • Dans les cellules chlorophylliennes des feuilles on remarque que les 1 ères molécules formées sont les PGA mais ils sont ensuite rapidement utilisés car leur taux diminue.
  • Le taux de triose P augmente rapidement puis diminue progressivement.
  • Le taux de saccharose augment lentement seulement à partir de 7 seconde puis augmente.
  • On remarque que le taux de saccharose augmente plus rapidement quand les trioses P commencent à diminuer.

On peut donc en conclure que le est pris en charge dans le cycle de Calvin : formation d’APG puis de triose P.

Ces trioses P sont ensuite transformés en saccharose.

Les composés glucidiques formés par la réduction du 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.

Schéma Bilan

Document 1 : On remarque que chez l’hévéa au niveau de l’écorce, il existe des cellules lactifères qui contiennent du caoutchouc dans des vésicules noires.
Ces cellules possèdent des enzymes capables de transformer le saccharose en caoutchouc.
Le saccharose est formé dans les feuilles et le latex est formé dans l’écorce.

Comment sont transportées les matières organiques ?

Hyp : le saccharose est transporté jusqu'à l’écorce.

II. Le transport des matières organiques.

On remarque que sur le document 1 on a à coté des cellules lactifères des tubes criblés qui transportent de la sève élaborée contenant qu saccharose.

Composition sève élaborée doc 14 p 53 + doc 13 p 53

Les matières organiques sont exportées dans le végétal grâce à des vaisseaux conducteurs qui transportent la sève élaborée.

III. Utilisation de la matière produite par le végétal.

Le saccharose produit au niveau des feuilles est transporté par la sève élaborée puis transformé en latex dans les cellules lactifères.

Expérience : stockage (rappel doryphore)

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).

Suite du schéma

IV. Le fonctionnement global du végétal chlorophyllien.

Les cellules autotrophes assurent la production de la matière organique grâce à une source d’énergie captée sous la forme de photons, grâce à de la matière minérale ( oxydé atmosphérique, H2O et matière minérale apportées par la sève brute).

La matière organique est soit utilisée sur place, soit exportées dans le reste du végétal pour produire de l’énergie, ou pour synthétiser de la matière ou pour être stockée.

Schéma bilan

Les zones non chlorophylliennes d’une plante se comportent comme des parties hétérotrophes d’un être autotrophe.

Nous savons que lors des processus photosynthétiques dans la cellule chlorophyllienne de l’ATP est produit et qu’il est indispensable lors de la synthèse de molécule organique (ex amidon)

Comment est produit l’ATP, quels sont ses rôles dans la vie cellulaire ?

Chapitre 4 : L’ATP, une molécule indispensable à la vie cellulaire.

I. Quelques exemples de mécanismes nécessitant de l’ATP.

A. Le fonctionnement de la cellule musculaire.

Lors de la contraction musculaire on observe un raccourcissement du muscle.
Au niveau cellulaire on observe : une augmentation du glucose et du dioxygène prélevés dans le sang

(doc 3 p 69) ainsi qu’une consommation importante du glycogène mis en réserve (doc 2 p68)

Comment expliquer ces modifications observables lors de la contraction musculaire ?

TP observation microscopique d’une fibre musculaire - Annotation d’un sarcomère

Q5 : Les myofibrilles se contactent : les sarcomères se raccourcissent.

Q6 : Il faut comparer les sarcomères d’une cellule musculaire au repos et en contraction

Doc : Le mécanisme de la contraction musculaire

Q1 : On remarque que:

  • les sarcomères se raccourcissent bien quand il y a contraction musculaire.
  • Les disques sombre ne se raccourcit pas les filaments épais de myosine ne se contractent donc pas.
  • Les ½ disques clairs diminuent de longueur.

On peut penser :

  • que les filaments d’actine se contractent
  • que les filaments d’actine et de myosine glissent entre eux : interpénétration.

Schéma du raccourcissement

Q2 :

Doc 1 :

  • Quand on ajoute de l’ATP on observe une augmentation brutale de la tension de la myofibrille qui se contracte donc.
  • Quand on ajoute le salygran on observe une diminution très rapide de la tension de la fibre qui cesse donc de se contracter.

L’hydrolyse de l’ATP (ATP > ADP +P) est donc indispensable pour que la myofibrille se contracte.

Doc2 :

  • Quand on stimule une fibre elle se contracte et on observe une diminution du glycogène et une stabilité de la concentration d’ATP.
  • Quand on empêche la synthèse d’ATP on observe un arrêt presque immédiat de la contraction, une stabilité du glycogène et une diminution de la quantité d’ATP.

On peut penser que l’ATP présent dans la cellule est utilisé (on ne bloque pas l’hydrolyse ici) : le muscle se contracte mais comme on bloque la synthèse d’ATP, il n’y a plus d’ATP hydrolysé et la contraction musculaire n’a plus lieu (doc1).

La synthèse et l’hydrolyse d’ATP sont donc indispensables pour la contraction de la cellule musculaire.

Q3 : Quand la cellule se contracte le glycogène diminue : il est utilisé par la cellule.
Quand on bloque la synthèse d’ATP, le glycogène reste stable, il n’est donc plus utilisé.

On peut donc penser que le glycogène est utilisé par la cellule musculaire pour former de l’ATP.

Schéma du cycle actine myosine : Site Internet

Au début du cycle la tête de myosine est en position basse énergie, repliée sur elle-même et liée à une molécule d’actine.

  1. Une molécule d'ATP vient se fixer sur une tête de myosine 2. La tête de myosine redressée se lie au filament d’actine en formant un pont.
  2. La tête de myosine se détache de l’actine et l’on a hydrolyse de molécule d’ATP.
  3. L’hydrolyse de l’ATP entraîne la formation d’ADP et P (qui reste accroché à la myosine) et de la libération d’énergie qui permet le redressement de la tête de myosine.
  4. La myosine activée (redressée) s’accroche alors à l’actine = formation d’un pont.
  5. La formation du pont entraîne la libération de l’ADP et P ce qui détend la tête de myosine qui revient à sa position basse (repliée) ce qui cause le glissement du filament d’actine (qui est lié) vers le centre du sarcomère.

La contraction musculaire s’explique par un raccourcissement du sarcomère. Ce raccourcissement est du a une interaction entre les molécule d’actine et de myosine. Cette interaction nécessite de l’ATP.
Normalement cet ATP est régénéré par un mécanisme biochimique qui consomme du glycogène.

B. ATP et mouvements de cyclose.

TP cyclose - Doc 16 p75

On observe un mouvement des chloroplastes dans la cellule végétale (schéma) qui est dû à un courant cytoplasmique appelé cyclose.
Cette cyclose s’arrête quand on bloque la formation d’ATP.
Il existe également des protéines contractiles (comme actine myosine) qui peuvent coulisser les unes par rapport aux autres grâce à l’ATP et provoquer la cyclose.

C. La synthèse des molécules organiques.

Doc 17 p 75

Rappel de 1ere S : exemple de la formation du glycogène à partir du glucose.
Synthèse des hexoses à partir des triose P ou de l’amidon.

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.

Nous savons que dans une cellule chlorophyllienne, l’ATP est synthétisé pendant la photosynthèse.

Comment l’ATP est-il synthétisé dans une cellule non chlorophyllienne ?

II. La production d’ATP dans la cellule hétérotrophe.

A. Les conditions de production d’ATP.

 Exercice : Levures Rho + Rho –

 Document 1

On cherche à tester l’effet du dioxygène sur la croissance de levures

  • On a donc les tests en absence de dioxygène.
  • On a donc les témoins en présence de dioxygène.

Les cultures Rho + présentent une plus forte croissance en présence de dioxygène. Donc elles se divisent plus, dons elles produisent plus d’énergie.

Par contre les levures Rho - ne présentent aucune différence de croissance avec ou sans dioxygène.

On peut dont dire que les levures Rho + ont deux types de métabolismes alors que les levures Rho - ne possèdent qu’un type de métabolisme.

Comment expliquer cette différence ?

Document 2

L’observation des levures Rho + et Rho - montre une différence au niveau des organites : les levures Rho + possèdent des mitochondries alors que l’autre souche n’en possède pas.

On peut donc faire l’hypothèse que la présence ou l’absence de mitochondrie est à l’origine des différents métabolismes.

Document 3

En présence de dioxygène les levures Rho + rejettent plus de dioxyde de carbone, et elles consomment le dioxygène. On peut donc dire qu’elles respirent. Puis en absence de dioxygène elles produisent moins de dioxyde de carbone et produisent de l’éthanol : elles fermentent donc.

Les levures de l’autre souche ne consomment jamais de dioxygène, elles produisent dès le début de l’expérimentation de l’éthanol et du dioxyde de carbone : donc elles fermentent.

Synthèse :

Chez les souches Rho - l’absence de mitochondries entraîne donc bien une incapacité à réaliser la respiration. On peut donc dire que l’hypothèse est acceptable. La différence entre les croissances observées est bien due à une différence de métabolisme des deux souches.

La comparaison de culture en aérobiose et en anaérobiose montre qu’il existe au moins deux moyens de production de l’ATP par les cellules : aérobiose (avec ) et en anaérobiose (sans ).

B. Production d’ATP avec du dioxygène.

Quand du dioxygène est disponible dans le milieu il y a production d’ATP avec un rendement plus important.

Où et comment se fait la production d’ATP grâce à la respiration ?

Hyp : la production d’ATP a lieu dans les mitochondries à partir du glucose.

1) Localisation de la production d’ATP : siège de la respiration.

Schéma d’une mitochondrie + 11 p 73

  • CT : Si hyp est vrai alors des mitochondries en présence de glucose doivent produire de l’ATP en respirant = rejet de et consommation d’.
  • Quand glucose + mitochondrie + = pas de consommation d' = pas de respiration.
  • Quand Pyruvate + mitochondrie + = diminution d’ = consommation par la mitochondrie = respiration = formation d’ATP.

Doc 12 p 73
Notre hyp n’est pas acceptable

Hyp : il faut que le glucose soit transformé en pyruvate pour que la mitochondrie l’utilise et produise de l’ATP

Doc marquage

Q1 : Pyruvate (hyaloplasme + mito)
Acides du cycle de Krebs (mito)

Q2 :

Glucose entre dans la cellule
Glu → Pyruvate dans le hyaloplasme
Pyruvate entre dans la mitochondrie
Dans la mitochondrie : Pyruvate → Acide du cycle de Krebs + . Le sort de la mitochondrie et de la cellule.

2) 1 ère étape cytoplasmique : la glycolyse.

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.

3) 2 ème étape : La phase dans la matrice mitochondriale.

La deuxième étape se déroule dans la matrice des mitochondries. C’est une série de décarboxylation oxydatives, à partir du pyruvate, qui s’accompagne de la production de composés réduits et de la synthèse d’ATP

4) La phase dans les crêtes mitochondriales.

La dernière étape se déroule dans les crêtes des 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.

Dans le cas d’une molécule de glucose la respiration cellulaire peut être traduite par le bilan cellulaire :

La respiration comporte plusieurs réactions chimiques catalysées par des enzymes. Au cours de ces réactions, la matière carbonée est minéralisée sous forme de .

Schéma bilan 

C. Production d’ATP sans dioxygène.

1) Exemple des levures.

TP Fermentation + doc exo 

Q5 : on observe que le glucotest devient négatif : les levures consomment du glucose.
On observe que l’eau de chaux se trouble alors qu’elle était limpide: les levures rejettent du .
On observe que la solution d’ions dichromate devient verte : les levures rejettent de l’alcool.

2) Exemple de la cellule musculaire.

P 72 doc 9b et 10

Pendant un effort on observe :

  • une augmentation du lactate : il y a production de lactate par les cellules musculaires
  • stabilité de l’ATP : il y a autant d’ATP qui est utilisé pour la contraction que renouvelé par la cellule.

L’ATP est renouvelé grâce à la fermentation lactique qui permet de régénérer les R’ nécessaire au déroulement de la glycolyse au cours de laquelle 2 molécules d’ATP sont formée par molécule de glucose consommé.

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.

Schéma Bilan à compléter

III. Bilan du fonctionnement d’une cellule vivante

Réaliser un schéma bilan du fonctionnement de la cellule eucaryote chlorophyllienne

Toute cellule vivante est constamment soumise à un bilan d’entrée et de rejet de matière qu’accompagne des conversions énergétiques.

La cellule eucaryote est formée de compartiment 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 adopté 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.

 

Thème 2 - Du passé géologique à l’évolution future de la planète (7 semaines)

Article Tuvalu + Film fonte des glaces …

Le climat actuel de la Terre est en train d’évoluer, le réchauffement de la planète dû en partie aux activités humaines risque d’entraîner une élévation du niveau marin.

Pour évaluer ce risque d’élévation du niveau des mers, il serait intéressant de disposer d’un modèle climatique permettant de prévoir la modification de la température du globe et donc de quantifier l’élévation du niveau marin.

Comment élaborer un modèle climatique permettant de prévoir l’évolution du climat sur Terre et de quantifier l’augmentation prévisible du niveau de la mer ?

Pour élaborer un tel modèle, il est nécessaire :

  • de retrouver les variations climatiques passées ;
  • d’identifier les causes de ces variations ;
  • d’évaluer les conséquences de ces variations.

Rappel modélisation

Chapitre 1 : Changements climatiques au cours
des 700 000 dernières années.

Quels sont les moyens permettant la reconstitution des climats ?

I. Les indicateurs des changements climatiques.

A. Etudes des calottes glaciaires.

1) La signification du rapport / dans les glaces.

L’oxygène existe sous la forme de deux isotopes stables : et .

L’eau de mer est beaucoup plus riche en .

Ces 2 isotopes n’ont pas le même comportement au cours du cycle de l’eau : contenu dans l’eau de mer s’évapore facilement par rapport à ce qui fait que les nuages sont très riches en .

Le (plus lourd) sera préférentiellement entraîné lors des précipitations (condensation), les nuages s’approchant des pôles seront donc de plus en plus pauvres en .

Variation du rapport / en fonction du climat. = schéma

Logiciel /

Plus le climat est froid, plus il y a de précipitation, plus l’ retourne dans la mer, plus les glaces qui se forment ont un rapport / faible : il y a stockage de l’ dans les glaces.

Quand le climat se réchauffe les glaces fondent et mis en banque dans les glaces retourne dans l’eau de mer et le rapport / réaugmente dans les glaces.

2) La signification du .

On définit le delta isotopique avec la formule suivante :

Exercice à partir de la mesure du delta dans les pluies depuis l’équateur jusqu’aux pôles.

La valeur de référence est celle de l’océan actuel, / SMOW (Standard Mean Océan Water), elle vaut .

Actuellement la neige au Groenland a un rapport isotopique de .

Si on calcule le on a actuellement :

moins il y a de dans les glaces et plus c’est négatif, donc plus le est négatif et plus la température moyenne est faible.

3) Analyse des glaces de Vostok.

Logiciel Vostok

Les courbes de variation du méthane piégés dans les carottes et sont parallèles, on peut donc mettre en relation la température avec la composition de l’atmosphère en gaz à effet de serre : plus il y a de dans l’atmosphère, plus le est important donc plus il fait chaud.

Les variations locales de la température au-dessus de la calotte polaire sont déduites de la composition isotopique de l’oxygène (/) de la glace.
Ces variations de températures sont corrélées à des variations de concentration en gaz à effet de serre dans l’atmosphère.

Comment déterminer une température passée locale en absence de glacier ?

Hyp : On étudie les fossiles contenus dans les carottes de sédiments océaniques ou continentaux.

B. Les fossiles indicateurs de climats.

1) Les foraminifères marins.

Q1 :

Q2 : Lors des périodes glaciaires l'extension des calottes augmente, un volume significatif d'eau est ainsi transféré de l'océan pour être stocké sous forme de glace. Plus l'extension des calottes (pauvres en ) est importante, plus l'eau de mer est enrichie en .

Dans ces cas le moyen de l'eau de mer est supérieur à celui del'océan actuel.

Quand les calottes fondent : retour de beaucoup d’ dans l’océan donc le de l’eau de mer diminue.

Le des tests carbonatés des foraminifères benthiques varie de la même façon que celui de l’eau de mer donc il augmente en période glaciaire et diminue en période chaude.

Q3 : Ils n’enregistrent pas directement la température mais la plus ou moins grande importance des calottes glaciaires et donc du niveau marin. Ex : climats froid : un volume significatif d'eau est ainsi transféré de l'océan pour être stocké sous forme de glace et le niveau de l'océan baisse.

Les tests des foraminifères de grande profondeur (benthiques) des sédiments océaniques peuvent donc être utilisés pour étudier les variations de de l'eau de mer au cours du temps. Ils donnent accès à la variation du niveau des océans et du volume des glaces et donc aux changements climatiques globaux qui ont affecté la Terre dans le passé.

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 ( / ) des tests carbonatés dans les sédiments océaniques.

2) Etudes des pollens et fossiles continentaux.

Observation pollen + exo pollen TP palynologie Doc p 12-13

L’étude des fréquences des différents pollens permet de reconstituer des conditions climatiques.
Le pollen est très résistant à la décomposition et émis en très grande nombre : on en retrouve beaucoup dans les sédiments continentaux.

En comparant les pollens fossiles aux pollens actuels on peut dresser le diagramme pollinique d’une région et connaître ainsi les végétaux qui se sont succédés au cours des temps.
En utilisant l’actualisme (même exigence dans le passé) ont peut reconstituer les climats.

D’autres indicateurs peuvent êtres utilisés (Fossiles de vertébrés, d’invertébrés, de végétaux, peintures rupestres des grottes occupées par l’homme…).

En dehors des pôles, les variations climatiques locales sont déduites de carottes sédimentaires de lacs ou de tourbières.

C. La périodicité des cycles glaciaires.

Doc 6 p 11 - doc 10 p 13

La mise en relation des informations locales (glaces, foraminifères, pollens…) à l’échelle planétaire permet de mettre en évidence des cycles climatiques au cours des 700 000 dernières années :

Document manuel Hatier

Les variations climatiques montrent des alternances de périodes glaciaires et interglaciaires. Un cycle 100 000 ans rythme les glaciations. Des cycles de réchauffement refroidissement sont observés entre deux maxima glaciaires avec des périodes de 43 000, 24 000 et 19 000 ans.

Quels sont les mécanismes qui permettent d’expliquer cette cyclicités ?

Hypothèse 1 : La t° de la planète étant directement liée à la quantité d’énergie solaire reçue, il y aurait eu des variations cycliques de la quantité d’énergie solaire reçue au cours des 700 000 dernières années.

Hypothèse 2 : Certains gaz de l’atmosphère ( notamment) sont responsables d’un effet de serre. Il y aurait eu des variations cycliques de la quantité de atmosphérique et donc de l’effet de serre au cours des 700 000 dernières années.

Pour vérifier l’hypothèse 1, il est nécessaire de vérifier que la quantité d’énergie solaire reçue par la Terre a varié au cours des 700 000 dernières années avec la même périodicité que l’alternance des périodes glaciaires et interglaciaires.

On ne peut pas déterminer de façon directe la quantité d’énergie reçue par la Terre dans le passé : il faut donc utiliser une méthode indirecte. Il nous faut connaître les paramètres qui conditionnent la quantité d’énergie reçue par la Terre et vérifier que ces paramètres ont varié dans le passé avec la même périodicité que les périodes glaciaires et interglaciaires.

Utiliser le matériel fourni pour élaborer des modèles permettant de mettre en évidence la façon dont la variation de (3) paramètres orbitaux de la Terre influence la quantité d’énergie qu’elle reçoit en 1 point donné (France).
Faire varier la distance.
Faire varier la position / soleil = saisons.
Faire varier l’inclinaison de l’axe de rotation.

II. Les mécanismes à l’origine de la cyclicité climatique.

A. Les variations des paramètres orbitaux de la planète.

Utilisation Logiciel Paramètres orbitaux.

Q1 : Excentricité : Paramètre exprimé en % qui mesure l'aplatissement de la forme de l'orbite. Il varie de 0 % quand l'orbite est circulaire à 6 % quand l'orbite est la plus elliptique.

source : internet

Q2 : 100 000 à 400 000 ans

Q5 : Obliquité : Angle entre l'axe de rotation de la Terre et la perpendiculaire au plan de l'orbite terrestre (plan de l'écliptique).

source : internet

Q6 : 20 à 25 °

Q7 : 41 000 ans

Q8 : Tout en gardant la même inclinaison, l’axe de rotation tourne (précesse) autour de l’axe de l’écliptique (il décrit un cône) : c’est la précession des équinoxes.

source : internet

Q9 : 26 000 ans

Q10 : HN : été, HS : hiver HN : hiver HS : été

B. Relation entre paramètres orbitaux et climats sur la planète.

Q1 : Les périodes glaciaires sont provoquées par des contrastes de saison peu marqués. En effet les hivers doux avec précipitations favorisent l’accumulation de neige aux pôles, alors que des étés doux ne permettent pas la fonte des calottes glaciaires.

Les périodes interglaciaires sont provoquées par des saisons très marquées. En effet les hivers très rigoureux sont associés à de faibles précipitations et les étés caniculaires entraînent la fonte des calottes glaciaires.

On ne s’intéresse qu’aux calottes de l’hémisphère nord car c’est dans cet hémisphère qu’elles peuvent plus ou moins s’étendrent sur les continents.

Q2 : Plus l’inclinaison est forte, plus les jours sont courts.

Q3 : Plus les jours sont courts, plus les températures sont froides donc plus l’hiver est marqué.

Q4 : Plus l’inclinaison est forte, plus les saisons sont marquées donc il y a établissement d’une période glaciaire.

Q5 : Plus la Terre est loin du soleil, moins elle reçoit d’énergie donc moins la température est élevée.

Q6 : Actuellement :

Aphélie : HN : été doux ; HS : Hiver froid
Périhélie : HN : hiver doux ; HS : Eté chaud

Il y a 11 000 ans :

Aphélie : HN : Hiver froid ; HS : été doux
Périhélie : HN : Eté chaud ; HS : hiver doux 

Q7 : Ceci conduit tous les 11 000 ans, soit à une situation favorable à la fusion de calottes glaciaires aux hautes latitudes de l’H.N. (saisons marquées) soit à une situation favorable à la croissance de ces calottes (saisons peu marquées).

On observe des variations climatiques avec des alternances de périodes glaciaires et interglaciaires.
Un cycle de 100 000 ans rythme les glaciations, des cycles de réchauffement et de refroidissement sont observés entre deux maximums glaciaires avec une période de 43 000, 24 000 et 19 000 ans.
Ces périodicités s’expliquent par les paramètres orbitaux de la terre qui déterminent la quantité d’énergie reçue par la planète aux différentes latitudes.

La diminution du flux d'énergie solaire annuel arrivant sur Terre ne varie que de 0,2 % (0,5 W/m2) quand l'orbite de la Terre passe d'un cercle à une ellipse, ce qui devrait se traduire par des variations de t° de 0,5°C au maximum. Or, le doc3 nous montre que les variations moyennes de température de l'atmosphère ont été de 5°C.

Cependant, les seules variations de l'ensoleillement n'expliquent pas l'amplitude observée des variations de températures → il existe d’autres phénomènes.

Quels sont les autres facteurs qui peuvent amplifier l’effet astronomique ?

III. L’amplification des facteurs astronomiques.

A. L’influence de l’albédo.

L’albédo est l’un des facteurs qui contrôle la température de surface de la Terre. L'albédo est le rapport de l'énergie solaire réfléchie par la surface de la Terre sur l'énergie solaire incidente. Actuellement 30 % de l'énergie solaire arrivant sur toute la surface de la Terre est réfléchie vers l'espace. On a donc un albédo de 0,3.

Quel(s) est (sont) le(s) facteur(s) susceptibles de faire varier l’albédo ?

Hypothèse : l’albédo varie en fonction de la couleur du corps qui reçoit le rayonnement.

Si cette hypothèse est vraie, la végétation de couleur verte (et qui absorbe donc le rouge et le bleu : voir partie I) devrait avoir un albédo plus faible que celui de la neige (blanche donc qui n’absorbe aucune longueur d’onde de la lumière).

 Vérification par radiomètre sur feuilles, sable, papier blanc pour neige, papier bleu pour océan, sol, sable.
Puis vérification à l’échelle du globe par images.
Doc 15 p 15

Lors d’une période glaciaire, la neige et la glace ayant un albédo bien supérieur à celui de la végétation ou de l'eau, l'albédo moyen de la Terre va augmenter. La quantité d'énergie solaire absorbée par la Terre va donc diminuer renforçant ainsi le refroidissement initial. On est en présence d'un mécanisme amplificateur ou encore d'une rétroaction positive.

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.

B. Le rôle de l’effet de serre.

Logiciel Vostok

On observe une corrélation entre les 2 courbes et dans certains cas l’augmentation de précède celle de t°, dans d’autres cas c’est l’inverse.

Comment expliquer que dans certains cas l’augmentation de t° précède celle du  ?

Rappel de 2 nde : peut être contenu dans :

    • l'hydrosphère sous forme de dissous.
    • la biosphère sous forme de matière organique : absorbé par photosynthèse et rejeté par respiration
    • la lithosphère dans roches carbonées et carbonatées. Il est également rejeté lors du volcanisme.
  • pour la biosphère : respiration et photosynthèse peuvent être augmentées par la t°, mais rappel partie I : Dans un écosystème à l’équilibre le bilan de la respiration et de la photosynthèse est nul donc à rejeter.
  • pour le volcanisme : il s’agit d’une activité interne, pas d’influence de la t° externe sur cette activité. Donc à rejeter.

hypothèse : l’augmentation de t° induit une diminution de la solubilité du dissous dans l’hydrosphère et donc un passage de ce vers l’atmosphère.

Si cette hypothèse est vraie, alors en augmentant la t° d’une eau on doit constater une diminution du en solution.

 Expérience
Matériel : Eau enrichie en
Eau chaude
Rouge de crésol (jaune si violet rose sans )

La concentration du dans l'atmosphère est en équilibre avec celle de l'océan. Lorsque la température augmente, la solubilité de dans l'océan diminue, l'équilibre précédent est déplacé, du passe de l'océan dans l'atmosphère ce qui induit une augmentation de l'effet de serre.

Les seules variations de l'ensoleillement n'expliquent pas l'amplitude observée des variations de températures. D'autres phénomènes interdépendants modulent l'effet astronomique :

  • les variations de l’albédo de la planète
  • les variations de la teneur en atmosphérique

Quels sont les effets des modifications climatiques au cours des 700 000 dernières années ?

Hyp : Variation du niveau des mers (effet sur la vie déjà vue avec pollens et fossiles).

IV. Climat et niveau des mers des 700 000 dernières années.

A. Les indices des modifications des niveaux la mer.

Site internet : Grotte Cosquer

Test carbonaté des foraminifères benthiques nous indiquent le niveau des mers.

Q2 : Le niveau de la mer a monté car l’entrée de la grotte se trouve à – 37 m
Les peintures représentent des animaux terrestres vivants dans un climat plus froid que le climat méditerranéen : bouquetin, bison…
Les peintures représentent des animaux aquatiques vivants dans un climat plus froid que le climat méditerranéen : pingouin, phoques…

 Q3 : On observe une augmentation régulière du niveau marin avec 2 périodes de légère accélération. (14 000 et 11 000 ans)

 Q4 : 113 – 37 = 76 m de haut

Doc coraux p 38 39 + Doc rivages fossiles

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.

Comment expliquer qu’une variation de température entraîne une variation du niveau marin ?

B. Origine des variations du niveau de la mer au cours des 700 000 dernières années.

1) La destruction des calottes polaires.

Doc 9 p 42
Expérience Glaçon

Lors des maxima glaciaires on observe des baisses du niveau moyen des mers de l'ordre de la centaine de mètres et réciproquement lors de minima. Ces variations sont liées au transfert d'eau de l'océan mondial vers les calottes polaires.

Un calcul simple permet d’estimer l’ordre de grandeur du changement du niveau de la mer lors d’un cycle glaciaire-interglaciaire.

Le volume actuel de la calotte antarctique est de . Si elle fondait complètement et si l’eau se retrouvait dans l’océan, la variation du niveau de la mer serait de :

2) Dilatation thermique de l’eau.

Doc 8 p 42

Zones où l’eau est plus chaude = zone où le niveau de la mer est le plus haut.
L'augmentation de la température de l'océan produit une dilatation thermique de l'eau.
Un calcul simple permet de fixer l'ordre de grandeur de ce phénomène.

Connaissant le coefficient de dilatation thermique volumique de l'eau on peut calculer la variation de volume de l'océan ou d'une partie de celui-ci induite par un changement de température.

Une augmentation de la température moyenne de 5° C entraînerait une augmentation du niveau de la mer de 5 m.

Le réchauffement actuel de l'océan n'affecte que les eaux de surface (500 à 1000 premiers mètres de la colonne d'eau) et le changement de température depuis un siècle n'est que de quelques dixièmes de °C.

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 à la surface de la Terre. Les principales causes des variations du niveau de la mer sont ( pour les 700 000 dernières années) :

  • 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 en 10 000 à 100 000 ans).

Afin d’affiner le modèle climatique, il est nécessaire de voir si on retrouve une périodicité des variations climatiques sur une plus grande échelle de temps ainsi que les mêmes causes et conséquences.

Au-delà de 700 000 ans il n’y a plus de trace de glace et les indicateurs isotopiques sont moins utilisés car moins fiables.

Comment reconstituer les climats dans les périodes plus anciennes ?

Chapitre 2 : Les changements climatiques aux plus grandes échelles de temps.

Hyp : Recherche d’indices dans les roches : fossiles ; nature de la roche ; figure sédimentaire.

Donc la première étape est de connaître les conséquences actuelles des climats sur la formation des roches ou sur leur contenu puis de rechercher dans des roches âgées ces traces = actualisme.

I. Mise en relation des climats actuels et des formations géologiques associées.

Doc a b p 24

A. Les formations associées aux climats froids.

Les périodes glaciaires sont associées à la mise en place de sédiments particuliers. Les Lœss qui sont des sédiments éoliens avec transport de grains de quartz caractérisent par exemple un climat sec et très froid ; les traces de glaciers avec les moraines, les blocs erratiques, les blocs striés attestent d’un climat glaciaire.

Des fossiles peuvent également attester d’un climat froid (certains foraminifères ou autres…)

B. Les formations associées aux climats chauds.

Doc 4 p 25 Doc 11 12 13 p 29

De même des roches comme la bauxite se forment exclusivement en climat chaud et très humide ; les coraux sont des fossiles qui indiquent également ce type de climat comme les formations de charbon contenant des fougères.

II. Comparaison des indices géologiques à deux périodes : le Carbonifère et le Crétacé.

Le Permocarbonifère correspond à une période froide :

  • Au carbonifère et au permien, les continents sont regroupés et plutôt situés vers des latitudes sud. De nombreux indices (moraines, stries glaciaires…) montrent qu’une imposante calotte polaire recouvrait l'Amérique du Sud, l'Afrique du Sud, l'Australie, l'Inde et l'Antarctique.
  • A la même époque, la France se trouve à des latitudes proches de l'équateur. Les terrains carbonifères que l'on trouve en France en particulier contiennent des traces (bois fossilisés, charbon, coraux) qui attestent de la présence de forêts très importantes caractéristiques d'un climat tropical. Cette végétation est en accord avec la position de la France près de l'équateur à cette époque.

Le Crétacé correspond par contre à une période plus chaude.

Dans les roches on trouve donc :

  • des traces de périodes glaciaires ;
  • des traces de périodes chaudes ;
  • des traces de changements brusques de climats.

Doc variation de la température au cours des temps géologiques

La glaciation du Carbonifère-Permien a duré au moins 60 MA. Le climat chaud du Crétacé supérieur a duré environ 80 MA jusqu’à la fin du Paléogène.

La périodicité des variations des paramètres astronomiques ne peut expliquer l’installation et le maintien d’un climat chaud ou froid pendant des temps aussi longs.

Comment expliquer ces changements climatiques à de grandes échelles de temps ?

Hyp : variation de l’effet de serre et de l’albédo

III. Les mécanismes des variations climatiques à grande échelle de temps.

A. Les origines probables de la baisse de la température au carbonifère.

1) La localisation passée des continents.

Au carbonifère le regroupement des continents au niveau du pôle sud est favorable à la mise en place d’une calotte glaciaire (tillites =témoin) ce qui ↑ l’albédo et donc ↓ la température.

2) La diminution du CO2 atmosphérique.

Doc 6 : Au Carbonifère, l’étude des paléosols montre que c’est à cette période que le atm a été le plus faible dans l’histoire de la Terre ce qui diminue l’effet de serre et donc favorise la glaciation.

Comment expliquer cette diminution du  ?

Doc 6 : Au Carbonifère on observe un piégeage très important de la MO notamment sous forme de charbon car il règne au niveau de l’équateur les conditions propices à cette formation (doc 9 + texte).

De ce fait il y a moins de renvoyé dans l’atmosphère ce qui explique la diminution.

Dans le cas du feldspath : 2 atmosphérique sont consommé lors de l’altération alors qu’un seul retourne dans l’atmosphère lors de la formation des carbonates, l’autre est « piégé » dans le calcaire.

En bilan on a donc une diminution du atmosphérique lors de l’érosion des silicates qui composent la chaîne hercynienne au Carbonifère.

Par contre pour les carbonates : pas d’effet sur le car autant de consommé que rejeté.

Doc 9 : L’importante végétation au Carbonifère contribue à augmenter l’altération des silicates et donc à faire baisser le

Au carbonifère on a un minimum de dioxyde de carbone dans l’atmosphère qui s’explique par :

  • la formation de roche riche en matière organique qui piège du carbone à l’état réduit, c’est un stockage de .
  • l’altération des grande chaînes de montagne hercynienne avec l’altération et la précipitation de certains éléments qui consomment ou qui libèrent du
    • la précipitation des carbonates libère du
    • la dissolution des carbonates consomme du
    • l ’altération des silicates calciques et magnésiens consomment du
  • le bilan de ces altération et précipitations consomme du

Doc variation de température au cours des temps géologiques

B. Les facteurs du climat au Crétacé.

Après la glaciation du Permo-Carbonifère, la Terre connaît une période chaude qui dure jusqu'à - 40 Ma.

Comment expliquer ce climat très chaud du Crétacé supérieur ?

Hyp : position des continents : semblable à l’actuel + fossiles de climats chauds même à des latitudes élevées.

Hyp : augmentation du donc de l’effet de serre.

Doc 6 p26

Au Crétacé on a bien plus de dans l’atmosphère qu’actuellement.

Comment expliquer cette augmentation de  ?

Hyp : augmentation de l’effet de serre par rétroaction : pas assez forte.

Hyp : diminution de l’altération, du piégage du

Doc 7 p26

Au Crétacé : pas d’orogénèse donc moins d’altération cependant plus de stockage de qu’actuellement.

Hyp : on peut imaginer qu’il y a eu libération très importante de par le volcanisme au cours du Crétacé.

Durant tout le Crétacé, on observe un volcanisme très important :

  • au niveau des dorsales : production de basaltes non soumis à l’altération ;
  • au niveau des points chauds : paroxysme au niveau du Deccan.

La libération de dioxyde de carbone associée au volcanisme basaltique est une explication à l’augmentation des températures au Crétacé par effet de serre.
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 au Crétacé, minimum au Carbonifère par exemple).

IV. Les conséquences des variations climatiques : modification du niveau de la mer.

A. Les indices des modifications des niveaux la mer.

Doc p 40 41

Dans le bassin Parisien, on observe beaucoup d’affleurement de Craie datés du Crétacé.
Au Crétacé les conditions étaient réunies dans le Bassin parisien pour que la craie se forme : mer peu profonde (plate forme continentale) = actualisme. (doc 6)
Il y a donc eu une grande transgression au crétacé en France mais également dans le reste du monde. (doc7).
Les indices géologiques ont permis de déterminer l’élévation du niveau de la mer au Crétacé : 300 m.
Or on vient de montrer que la fonte de la totalité des calottes polaires entraînerait une augmentation de 69 m.

Comment expliquer cette élévation extrême du Crétacé ?

B. Origine des variations du niveau de la mer aux plus grandes échelles des temps.

Doc b p 43

On a vu que le climat chaud du crétacé est lié en partie à un volcanisme très important notamment l’activité des dorsales.
On constate que plus la vitesse d’expansion est importante plus la dorsale occupe un volume important.

Hypothèse : on peut donc supposer que ces dorsales ont eu une activité intense au Crétacé, ce qui a entraîné une augmentation de leur volume et donc une élévation du niveau de la mer.

Pour vérifier cette hypothèse, il faut connaître le taux d’expansion océanique au cours du Crétacé. C’est possible car l’expansion océanique est proportionnelle à la quantité de basalte émis par la dorsale. On peut déterminer l’âge des basaltes en déterminant l’âge des sédiments qui les recouvrent.

Il est alors possible de calculer le taux d’expansion à une époque donnée.

Soit un taux d’expansion 3 fois supérieur à l’actuel.

Le volume des bassins océaniques est principalement contrôlé par la profondeur du fond des océans.

Celle-ci dépend de l'activité et du nombre des dorsales : une augmentation du nombre de dorsales ayant des vitesses d'expansion élevées diminue la profondeur moyenne des océans et conduit à des élévations du niveau de la mer qui peuvent atteindre plusieurs centaines de mètres.

La grande transgression du Crétacé s'explique par un tel phénomène. L'échelle de temps de ces variations est la dizaine de millions d'années.

La principale cause des variations du niveau de la mer (aux grandes échelles de temps est le volume des bassins océaniques (dont la variation peut aller jusqu'à plusieurs centaines de mètres en une dizaine de millions d'années).

Bilan : l’élaboration d’un modèle climatique.

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 XXI e 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.

Thème 3 - Des débuts de la génétique aux enjeux actuels des biotechnologies (10 semaines)

A partir de textes sur l’hérédité par mélange et l’hémochromatose, discuter de la validité de la théorie de l’hérédité par mélange à partir des connaissances des élèves : les allèles des gènes (non connus au 19 ème siècle) sont séparés par la méiose et simplement réunis par la fécondation mais non mélangés.

La génétique est une science qui a connu un essor très important au cours du XX° siècle.

Différents scientifiques ont œuvré pour compléter les connaissances de cette discipline.

Actuellement les biotechnologies permettent de dépister une maladie génétique avant qu’elle ne se déclare, mais aussi de modifier génétiquement des organismes (OGM, thérapie génique…)

Comment est-on passé en 150 ans d’une théorie de « l’hérédité par mélange » aux biotechnologies actuelles ?

Nous nous placerons dans la situation historique des chercheurs depuis les débuts de la génétique jusqu’à aujourd’hui pour expliquer en quoi les observations, les découvertes et leurs interprétations ont permis de faire évoluer les connaissances en génétique.

Chapitre 1 : Les débuts de la génétique : les travaux de Mendel.

I. La démarche de Mendel.

A. Le contexte de la recherche.

Les travaux de Mendel sont à situer dans le contexte économique de l’époque : la Moravie est une riche province agricole, à l’intérieur de laquelle la société d’agriculture est puissante.

Quand Mendel commence ses travaux, les scientifiques sont convaincus d'une hérédité par mélange. On imagine alors que les caractères provenant des deux individus sont fusionnés.

B. Le choix du matériel. 

Mendel choisit le petit pois car les variétés sont bien connues, il veut en améliorer les variétés = obtenir des hybrides stables.

D’autre part le pois possède des caractéristiques bien définies et contrastées (7 caractères seront retenus par Mendel).

C. La sélection de plans stables.

La première nouveauté introduite par Mendel est la sélection de plants présentant des caractères stables d'une génération à l’autre.

Contrairement à ses contemporains qui étudiaient les caractères d'un individu dans leur ensemble, Mendel limite son étude à l'hérédité de variations de caractères morphologiques bien marqués (couleur des fleurs et des graines, forme des graines, longueur des tiges...).

Afin d’obtenir des hybrides, le premier travail de Mendel va consister à sélectionner des individus de race pure :

  • Pendant 2 ans, Mendel n’a retenu que des descendants identiques à la variété parentale : il en a déduit que ces descendants étaient de race pure pour les caractères étudiés.
  • Or, nous savons que normalement la reproduction sexuée, lorsqu’elle se produit entre individus différents, aboutit à un brassage des caractères.

Comment la biologie de la reproduction du Pois a-t-elle permis d’éviter le brassage des caractères provoqué normalement par la reproduction sexuée ?

Pour résoudre ce problème, il est nécessaire de connaître les modalités de la reproduction du pois (Pisum).

Documents sur la biologie du pois + TP dissection florale

D’après le document 1, les étamines et le pistil arrivent à maturité avant l’ouverture de la fleur. Les étamines vont donc libérer leur pollen sur le pistil de leur propre fleur car elle est fermée.

C’est ce pollen qui va autoféconder les ovules du pistil donnant ainsi naissance aux graines qui contiennent le futur individu.

Cette autofécondation fait qu’il ne peut y avoir d’échanges génétiques avec d’autres fleurs. Les allèles contenus dans la cellule œuf sont donc ceux de la plante mère. Le fait que sur plusieurs générations les caractères parentaux soient conservés montre que les individus sont de race pure.

Le pois est une plante autogame, ce qui signifie que les ovules du pistil d’une fleur sont fécondés par le pollen des étamines de la même fleur : on parle d’autofécondation.
Chaque graine est le produit d’une autofécondation et contient un embryon, résultat du développement de l’œuf à 2n chromosomes.
Les fruits (ou gousses) contiennent les graines qui, après germination et croissance, donneront de nouveaux plants

Le pois étant une plante autogame, comment Mendel a-t-il procédé pour obtenir des hybrides ?

D. La technique de Mendel pour l’obtention d’hybrides.

Imaginer un protocole expérimental qui permettrait d’obtenir des hybrides pour un caractère chez le pois.

  • On sélectionne 2 plantes A et B de race pure possédant chacune une forme différente d’un caractère (par exemple grain lisse/grain ridé).
  • On coupe les étamines des fleurs A afin d’empêcher l’autofécondation.
  • On emprisonne la fleur A dans un capuchon afin d’éviter l’apport de pollen extérieur.
  • Quelques jours plus tard, on dépose à l’aide d’un pinceau le pollen d’une fleur B sur le pistil des fleurs A.

De 1858 à 1863, Mendel réalise de très nombreuses hybridations de parents possédant 2 formes différentes pour 1 caractère parmi les 7 étudiés.
En étudiant ainsi chaque caractère isolément des autres, il est le premier à expérimenter monohybridisme.

Quels ont été les résultats obtenus par Mendel à l’issue de ces expériences d’hybridation et comment les a-t-il interprété ?

II. Les résultats de Mendel et leur interprétation.

A. Les résultats et l’hypothèse de Mendel.

Doc : les résultats de Mendel

Q1 : En F1, chaque plante devrait avoir des caractères intermédiaires à ceux des parents (fleur mauve par exemple).

Q2 : En F1 on obtient la forme du caractère d’un des 2 parents et non pas une forme intermédiaire aux 2.

Q3 : Chacune des formes parentales du caractère étudié réapparaît en F2. Donc la F1 contenait chacune de ces formes et ne les a pas mélangé à ces différentes formes d’un caractère sont donc des éléments séparés.

Mendel n’observe pas de forme intermédiaire entre les formes des caractères parentaux, et l’intégrité de chaque caractère est préservée lorsqu’ils réapparaissent en F2. Chez les hybrides F1, les éléments correspondant aux versions alternatives d’un caractère donné restent donc distincts, et se séparent à nouveau lors de la formation des cellules germinales à l’origine d’une nouvelle plante.

Ces travaux réfutent la théorie de « l’hérédité par mélange », alors largement acceptée et permettent d’introduire le concept de « l’hérédité particulaire ».

Q4 : Dans ces expériences, une seule des 2 formes parentales apparaît chez l’hybride F1. La seconde forme réapparaît en F2 ; elle était donc présente chez la F1 mais « invisible » donc « trait récessif » alors que celui visible en F1 est qualifié de « trait dominant ».

Q7 : Mendel confond l’écriture des génotypes et des phénotypes.

Pour la première fois dans l’histoire des sciences, Mendel procède à une analyse statistique rudimentaire de ses résultats.

A l’époque de Mendel, les chromosomes, la mitose, la méiose et les gènes n’étaient pas encore connus (ils ne seront mis en évidence qu’entre 1870 et 1910), il ne peut donc parler que de la transmission de facteurs héréditaires et non de gènes ; Mendel ne dispose pas des outils conceptuels qui lui permettraient d’aboutir à la distinction que nous faisons actuellement entre génotype et phénotype.

B. La validation du modèle de Mendel.

Doc : Travail de Mendel en dihybridisme

Q1 : Mendel construit un modèle, il va l’éprouver en faisant du dihybridisme et en analysant une F3.

En cela il adopte une démarche scientifique. Il construit un modèle, émet des hypothèses par une écriture mathématique de la descendance et teste son hypothèse par l’expérience.

Pour la première fois dans l’histoire des sciences, Mendel applique à l’approche de l’hérédité le principe d’une démarche expérimentale.

C. Les travaux de Mendel en dihybridisme.

Q2 : Il montre alors que les éléments responsables de caractères différents se comportent de façon indépendante : la ségrégation indépendante des caractères héréditaires.

 Q3 : Mendel généralise concernant l’indépendance des caractères. Mais en fait il a eu un coup de chance : tous les gènes qu’il a étudié étaient indépendants entre eux : pas de gènes liés.

Bilan :

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.

Du fait de l’insuffisance des connaissances cytologiques de l’époque, l’importance des travaux de Mendel n’a pas été reconnue. 

Comment est-on passé de l’idée d’une hérédité particulaire à une hérédité chromosomique ?

Chapitre 2 : La théorie chromosomique de l'hérédité.

I. L'élaboration de la théorie.

A. Les résultats de Mendel sont redécouverts.

Doc 8 p 91

En 1900, De Vries réalise à partir d'une grande diversité d'espèces des croisements analogues à ceux de Mendel : il obtient les mêmes résultats.

À la même époque, de façon indépendante, Cuénot d'une part et Bateson et Sanders d'autre part obtiennent les mêmes résultats sur des animaux.

B. Les lois de Mendel sont formulées (Cuénot).

1° loi : Uniformité des Hybrides F1.

En croisant entre eux deux individus de race pure, ayant possédant chacun une forme différente d’un caractère, on obtient une population d’individus hybrides tous identiques entre eux et identiques au parent possédant la forme dominante du caractère.

2° loi : Loi de pureté des gamètes.

Au moment de la formation des cellules reproductrices, il y a ségrégation des 2 versions d'un caractère

3° loi: Loi de ségrégation indépendante des caractères.

Les 2 versions d'un caractère se séparent et se réassortissent indépendamment des 2 versions des autres caractères.

Des découvertes sont alors réalisées en biologie cellulaire.

C. Des découvertes sont réalisées en biologie cellulaire.

Doc 7 p91

Elles sont permises par le développement des techniques (microscopie) et de la chimie (mise au point de colorants).

- Observation de la "chromatine" et des chromosomes.
- Observation de la mitose : fissuration des chromosomes et transmission aux cellules filles.
- Observation de la méiose dans les cellules germinales chez l'Ascaris.
- Théorie de la détermination du sexe (chromosomes sexuels)

D. La découverte du support physique des unités mendéliennes

Les connaissances acquises en cytologie permettent à Sutton de mettre en relation le comportement des chromosomes lors de la méiose et celui des facteurs mendéliens et d'émettre la théorie chromosomique de l'hérédité : les chromosomes sont le support des gènes.

Un vocabulaire nouveau apparaît :

- Le gène remplace le facteur mendélien. C'est une unité de fonction puisqu'il gouverne la réalisation d'un caractère.
- Allèles d'un gène : différentes formes sous lesquelles se trouve un gène.
- Génotype : ensemble des gènes.
- Phénotype : ensemble des caractères observables.
- Génétique : science qui étudie les mécanismes responsables des ressemblances et des différences entre les parents et leurs descendants.

La redécouverte des lois de Mendel et les découvertes dans le domaine de la cytologie à la fin de XIX siècle conduisent à l’émission de la théorie chromosomique de l’hérédité (1903) et l’invention du mot gène.

La théorie chromosomique reste une théorie car elle n'a pas été mise à l'épreuve.

II. La validation de la théorie : les travaux de Morgan.

A. La localisation d'un gène sur un chromosome déterminé.

Exercice : croisement de Morgan Rouge / Blanc

Q1 : 1° croisement : R > b
¾ ¼ conforme à Mendel.
Etude F2 : Seul les mâles ont des yeux blancs : contradiction avec Mendel : transmission du caractère yeux blancs est liée au sexe.

2° croisement : on a une F1 hétérogène = contredit la 1ère loi de Mendel + phénotype lié au sexe.

La transmission de ce caractère couleur des yeux ne s’effectue pas selon les lois de Mendel et semble en relation avec le sexe.

Q2 : XX et XY
Caractère couleur des yeux est porté par un des chromosomes sexuels.

2° croisement : père aux yeux rouges a F1 mâles aux yeux blancs donc il ne leur transmet pas son caractère qui est pourtant dominant car il leur transmet son Y c’est donc que la couleur des yeux n’est pas inscrite sur le chr Y mais seulement sur le X (qu’ils reçoivent de la mère [b] ici).

Croisement 1 :

Morgan, en travaillant sur la transmission de ce caractère muté, est amené à proposer que le facteur déterminant ce caractère soit porté par le chromosome X (mise en relation avec les données contemporaines de la cytologie).

Ainsi, un facteur mendélien est pour la première fois expérimentalement assigné à un chromosome identifié.

Les travaux de l’équipe de Morgan entre 1910 et 1920 sur la drosophile corroborent la théorie chromosomique de l'hérédité à partir de données expérimentales.

Comment est on parvenu à l’idée d’une unité porté à un endroit précis du chromosome ?

B. La position de l’information génétique sur les chromosomes.

Exercice liaison.

Q1 : F1 hétérogène qui dépend du "sens" du croisement donc les 2 caractères sont portés par le chromosome X.

Or parmi les mâles F2 on voit apparaître de nouveaux phénotypes [Gs] et [JN]

Figure de chiasma = échange de chromatides entre chr homologues = CO

Les 2 gènes sont liés (situés sur X) et la méiose a produit un brassage intrachromosomique par crossing-over entre les locus des deux gènes.

Les données relatives à d'autres caractères liés au sexe confortent l'idée qu'un même chromosome peut porter plusieurs gènes, ce qui corrobore la théorie chromosomique et en même temps représente une rupture par rapport à la notion de disjonction indépendante des couples de caractères résultant des travaux de Mendel.

L'équipe de Morgan montre que la liaison entre les gènes n'est pas totale et que des recombinaisons peuvent se produire. Celles-ci, mises en relation avec les données de la cytologie (chiasmas), permettent de rendre compte de résultats apparemment en contradiction avec les lois de Mendel.

C. Les apports de la théorie chromosomique à la génétique.

Exo Carte génétique.

Sturtevant, élève de Morgan utilise les pourcentages de recombinaison comme indicateur de la distance entre deux gènes liés. L'unité de mesure est le centimorgan.
Les gènes apparaissent disposés linéairement le long d'un chromosome : les premières cartes génétiques sont établies.

Cette théorie a permis d’établir les premières cartes génétiques dès 1920 et de définir le gène.
À la suite des travaux de Morgan, la notion de gène se précise.
Il apparaît comme :

- une unité de fonction puisqu'il détermine un caractère ;
- une unité de mutation puisqu'il est susceptible de subir des modifications à l'origine d'un nouvel allèle du gène ;
- une unité de recombinaison puisque chromosomes homologues peuvent échanger les fragments de chromatides portant les deux 2 allèles d'un gène.

Mais on ignore totalement sa nature chimique et son mode d'intervention dans la détermination d'un caractère.

 Comment est-on parvenu à découvrir la nature du gène et son mode d’expression ?

Chapitre 3 : Du gène de Morgan à sa nature biochimique.

Parallèlement aux avancées de la génétique formelle, la biochimie commence à élucider les voies du métabolisme.

La biologie moléculaire naît :
- de la rencontre entre la génétique et la biochimie d'une part (liaison entre génétique et métabolisme), la physique d'autre part (techniques d'analyse) ;
- du choix d'un matériel biologique nouveau : les microorganismes.

I. La découverte de la relation gène – protéine.

Beadle et Tatum montrent qu'une mutation provoquée chez un microorganisme se traduit par la perte de son aptitude à réaliser une réaction métabolique.

Ils en déduisent qu'un gène détermine la synthèse d'une enzyme, relation qui sera généralisée à l'ensemble des protéines par la suite.

II. La découverte du support chimique des gènes.

Avery, Mac Leod et Mac Carthy montrent qu'une bactérie peut acquérir un nouveau caractère lorsqu'elle est mise en présence de l'ADN d'une autre espèce possédant ce caractère.

III. La découverte de la structure de l'ADN et de ses propriétés.

Watson et Crick découvrent la structure de l'ADN

Ses caractéristiques les conduisent à formuler 3 hypothèses :

- l'information génétique est représentée par la séquence des bases ;
- les mutations modifient le séquence des bases ;
- la molécule d'ADN peut se répliquer à l'identique par reconstruction de 2 nouvelles molécules à partir de chacun de ses 2 brins servant de matrice.

Le mécanisme semi-conservatif de la réplication est démontré expérimentalement par Taylor sur les chromosomes et par Meselson et Stahl sur l'ADN.

IV. La découverte de l'ARNm et du code génétique.

La synthèse des protéines est localisée sur les ribosomes (ARN et protéines).

Jacob, Monod et Lwoff montrent qu'un autre ARN, l'ARN messager, de courte durée de vie, permet la synthèse des protéines, sur les ribosomes, à partir de l'information génétique (ADN) contenue dans le noyau.

Le code génétique (relation entre les codons de l'ARNm et les acides aminés) est décrypté.

La génétique "fonctionnelle" est née, mais on ne dispose d'aucun outil pour manipuler facilement l'ADN et les gènes.

Comment est-on parvenu à décoder l’ensemble des gènes, et quelle en sont les applications ?

Chapitre 4 : La révolution technologique du début des années 1970, la naissance du génie génétique.

I. L’utilisation des enzymes de restriction.

A. Découverte des enzymes de restriction.

p 107 + Film

Aber découvre en 1962 que des bactéries sont capables de se protéger de l'infection par un virus, en découpant l'ADN viral : phénomène de restriction.

Smith isole les enzymes responsables : enzymes de restriction.

Nathans transforme les enzymes de restriction en outils.

Les enzymes de restriction coupent les molécules d'ADN selon des séquences spécifiques à chaque enzyme : sites de restriction. La longueur des différents fragments de restriction obtenus à partir d'une molécule d'ADN est variable : elle dépend de la localisation de ces sites.

B. La séparation des fragments de restriction : La technique du Southern blot (1975).

C. Utilisation du Southern Blot : le diagnostic prénatal.

Exercice hémochromatose

Le Southern Blot permet d’obtenir des bandes comparables entre individus ayant le même génotype. Pour analyser les résultats on doit obligatoirement repérer des individus dont on connaît le génotype et disposer des résultats de leur Southern Blot pour les comparer à un individu inconnu.

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).

D. Enzymes de restriction, polymorphisme génique et séquençage du génome.

TP bac Anagène

Exercice séquençage

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.

II. Les biotechnologies et les nouveaux enjeux.

A. Le dépistage des anomalies fœtales.

Doc Trisomie 21

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 signes diagnostiques de la trisomie 21.

B. La thérapie génique.

Doc thérapie génique (type bac)

Un enjeu pour l’avenir : la thérapie génique somatique.
On peut pallier la déficience d’un gène par une thérapie génique somatique.

C. Les OGM.

Doc OGM (type Bac)

La transgénèse est 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.