Sciences de la vie et de la Terre - Classe terminale de la série scientifique

Programme applicable à la rentrée 2002

II. Enseignement de spécialité

II.1. Thème 1 - Du passé géologique à l’évolution future de la planète (7 semaines)

Les notions de géologie acquises de la classe de seconde à celle de terminale permettent de comprendre le fonctionnement général de la planète, de ses enveloppes externes à ses domaines les plus internes. L’enseignement de spécialité précise quelques aspects de ce fonctionnement, à différentes échelles spatiales et temporelles. Il est l’occasion de montrer que l’étude des évolutions passées de la planète, fondée sur une démarche raisonnée intégrant des observations géologiques variées et des mécanismes physiques et chimiques simples, procure des éléments de réflexion et des modèles pour appréhender l’évolution future de la planète. La prévision des climats du futur est un enjeu à la fois de recherche scientifique et de société. Deux problématiques partiellement interdépendantes sont traitées dans l’enseignement de spécialité et sont abordées en faisant appel à plusieurs disciplines des sciences de la Terre. Cette partie du programme démontre comment l’observation, l’interprétation et la modélisation de phénomènes passés sont utilisés pour proposer des scénarios de l’évolution future de la Terre. Les deux problématiques choisies sont : 

– les variations du climat.
– les variations du niveau moyen des mers.

Ces deux exemples mettent en avant les relations qui existent entre le fonctionnement des enveloppes externes et internes de la Terre et les interactions de la Terre avec le reste du système solaire. 

II.1.1 Les climats passés de la planète (5 semaines)

Les changements du climat de la planète s'étudient à différentes échelles de temps. Les variations climatiques sont enregistrées dans les roches sédimentaires et les accumulations de glace aux pôles. La nature chimique des sédiments, leurs contenus fossilifères et leurs conditions de dépôt, ainsi que la composition isotopique des glaces, sont des marqueurs des conditions climatiques. Les bulles de gaz emprisonnées dans les accumulations de glaces des calottes polaires sont des témoins de la composition chimique moyenne de l'atmosphère et de son contenu en gaz à effet de serre. La composition de l’atmosphère plus ancienne, en particulier en dioxyde de carbone (CO 2 ), s’obtient par des données très indirectes.

Plus on recule dans le temps plus les enregistrements géologiques perdent de leur résolution temporelle. Les variations climatiques sont étudiées à deux échelles de temps :

– Le dernier million d’années où la continuité des enregistrements géologiques permet d’observer des variations climatiques avec une haute résolution temporelle de l’ordre de 1000 ans.
– Le milliard d’années où les enregistrements géologiques permettent d’identifier les changements climatiques avec une résolution de quelques millions d’années. 

Activités envisageables

Notions et contenus

 

 

 

 

Mise en évidence de la globalité et de la périodicité des changements climatiques du quaternaire récent, par l’étude comparée de la composition des bulles de gaz et de la composition isotopique des glaces dans les carottes de glace arctiques et antarctiques. Comparaison avec les enregistrements dans les sédiments océaniques.

 

 

Mise en parallèle des variations climatiques terrestres avec les variations de l’énergie solaire reçue par la Terre au cours du temps.

 

 

 

Mise en évidence de la variabilité climatique du quaternaire récent dans les sédiments continentaux des lacs et tourbières : sédimentologie et analyse des pollens dans des séries sédimentaires actuelles et passées.

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Etude de données et documents géologiques attestant des glaciations précambriennes et paléozoïques.

 

Replacer ces traces glaciaires en fonctions de la position des continents au cours du temps.

 

Etude des processus d’altération des roches : utilisation d’analyses chimiques et minéralogiques de roches saines et altérées, d’analyses chimiques d’eau des rivières et d’eau de mer. 

 

Les changements du climat des 700 000 dernières années

Les carottes de glace forées dans les calottes polaires et les carottes sédimentaires des fonds océaniques ou lacustres permettent de reconstituer les variations climatiques des 700 000 dernières années. 

Les variations locales de la température au dessus des calottes polaires sont déduites de la composition isotopique de l'oxygène ( 18O/ 16O) de la glace. Ces variations de température sont corrélées à des variations de concentration en gaz à effet de serre dans l'atmosphère. En dehors des pôles, les variations climatiques locales sont déduites de l’étude de carottes sédimentaires de lacs ou de tourbières. 

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 ( 18O/ 16O) des tests carbonatés dans les sédiments océaniques.

Limites : Les mécanismes de fractionnement isotopique de l’oxygène ne sont pas au programme.

Les variations climatiques montrent des alternances de périodes glaciaires et interglaciaires. Un cycle de 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.

Bilan explicatif : ces périodicités s'expliquent par les variations régulières des paramètres orbitaux de la Terre. Ces paramètres déterminent la répartition et les variations au cours du temps de l’énergie solaire reçue aux différentes latitudes (cf. programme de la classe de seconde).

Cependant, les seules variations de l'ensoleillement n'expliquent pas l'amplitude observée des variations de températures. D'autres phénomènes interdépendants modulent l'effet astronomique. Parmi ces phénomènes, on étudie à titre d’exemple deux d’entre eux :

- les variations de l'albédo de la planète 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.

- les variations de la teneur en CO2 atmosphérique Le CO2 participe à l’effet de serre de la planète. Sa concentration dans l’atmosphère est en équilibre avec celle de l’océan. Lorsque la température augmente, la solubilité de CO2 dans l’océan diminue, l’équilibre précédent est déplacé : du CO2 passe de l’océan dans l’atmosphère ce qui induit une augmentation de l’effet de serre.

Limites : les interactions entre les différents phénomènes qui modulent l’effet astronomique ne sont pas au programme. L’étude des paramètres orbitaux de la Terre n’est pas au programme.

Les changements climatiques aux plus grandes échelles de temps

Les variations à courtes échelles de temps vues précédemment se superposent à des variations à beaucoup plus grande échelle de temps. On retrouve ainsi dans les roches :

- des traces de périodes glaciaires.
- des traces de périodes chaudes.
- des traces de changements brusques du climat.

Limites : L’étude des mécanismes à l’origine des traces de changements climatiques n’est pas au programme.

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 CO2 au Crétacé, minimum au Carbonifère par exemple). Ces variations sont contrôlées en particulier par les processus suivants qui libèrent ou consomment du CO2 :

- l'altération des silicates calciques et magnésiens de reliefs orogéniques consomme du CO2.
- la précipitation des carbonates libère du CO2 et la dissolution des carbonates consomme du CO2.
- le piégeage de la matière organique dans les roches stocke du CO2.
- le dégazage du manteau par le volcanisme libère du CO2 dans l’océan et dans l’atmosphère.

Limites : L’étude des processus de maturation et de conservation des roches carbonées ainsi que l’étude du dégazage du manteau ne sont pas au programme.

Bilan : Envisager les climats du futur.

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.

  II.1.2 Les variations du niveau de la mer (2 semaines)

Les variations du niveau de la mer sont d'amplitude variable au cours de l'histoire de la Terre. Elles trouvent leur origine dans les changements climatiques mais aussi dans les phénomènes tectoniques et dans l'activité plus ou moins intense du manteau terrestre.

Activités envisageables

Contenus

Mise en évidence des variations du niveau de la mer à deux échelles de temps :

- Les variations liées aux glaciations du quaternaire par l'analyse de récifs fossiles, de traces de lignes de rivage ou d'activité humaine (ex : grotte Cosquer).

- Les variations liées aux phénomènes de transgression et de régression du Crétacé supérieur par l’analyse de documents (cartes, vidéos, photographies, échantillons).

Etudes à partir de divers documents (cartes, photographies, échantillons) des phénomènes de transgression et de régression. Mise en évidence sur la carte géologique du monde et de la France de l’importance mondiale de la transgression du Crétacé supérieur.

Mise en évidence des paramètres de variation du niveau de la mer :
- variation de volume de l’eau de mer en fonction de la température,
- variations de la quantité de glace présente sur les terres émergées,
- variations de la profondeur moyenne du fond des océans.

Réalisation d’un bilan quantitatif.

Mise en évidence des variations du niveau de la mer au cours des temps géologiques

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.

Les causes des variations mondiales du niveau de la mer

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 :

- 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).
- Le volume des bassins océaniques (dont la variation peut aller jusqu’à plusieurs centaines de mètres en une dizaine de millions d’années).

 

II.2. Thème 2 - Des débuts de la génétique aux enjeux actuels des biotechnologies (10 semaines)

Activités envisageables

Notions et contenus

Réalisation d’une dissection florale en relation avec la technique expérimentale de Mendel. Observation d’un fruit et d’une graine.

Analyse d’expériences relatives au monohybridisme et au dihybridisme dans la perspective des travaux de Mendel.

 

 

 

 

 

 

 

Constat du parallélisme entre le comportement des chromosomes et celui des facteurs héréditaires.

Etude de résultats de croisements chez la drosophile dans le cas de l’hérédité liée au sexe et interprétation des résultats dans le cadre de la théorie chromosomique.

Réflexions sur la valeur heuristique d’une théorie scientifique.

Localisation de trois gènes sur un chromosome à partir de données expérimentales.

 

 

 

 

 

Digestion de l’ADN par des enzymes de restriction et électrophorèse.

 

 

Etude d’exemples d’organismes génétiquement modifiés pour la résistance aux insectes et la production de molécules pharmacologiques.

Dans un texte ou une étude expérimentale, repérer les problèmes soulevés par les OGM et argumenter scientifiquement.

 

 

Observation de caryotypes anormaux. Evaluation du risque génétique dans le cas de la trisomie 21 à partir de données statistiques (âge de la mère, mesure de facteurs sériques).

 

 

Etude de documents sur la thérapie génique somatique.

Les débuts de la génétique : les travaux de Mendel (1870)

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.
La compréhension des travaux de Mendel repose sur la connaissance des principes de la reproduction sexuée des végétaux.

Limites : Les notions de gamétophytes mâle et femelle et de la double fécondation ne sont pas au programme.

 La théorie chromosomique de l’hérédité

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

Les travaux de l’équipe de Morgan sur la drosophile entre 1910 et 1920 corroborent la théorie chromosomique à partir de données expérimentales. Cette théorie, qui contient les notions d’hérédité liée au sexe, de liaison génique et de recombinaison, permet d’expliquer certains cas particuliers qui échappent aux lois de Mendel.

Cette théorie a permis d’établir en 1920 les premières cartes génétiques et la notion de gène (unité de fonction, de recombinaison, de mutation).

L’avènement de la biologie moléculaire : une nouvelle rupture

La nature chimique du gène (ADN – double hélice), la relation gène - protéine, les modalités de l’expression génétique, notions déjà étudiées dans les programmes de seconde et de première, doivent être replacées dans une perspective historique. Elles ne sont pas au programme en tant que telles.

La révolution technologique du début des années 70.

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.

Les enjeux actuels des biotechnologies

La transgénèse et 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.

Les biotechnologies et la génétique humaine

Dépistage et diagnostic génétique

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).
- dépistage et signes diagnostiques de la trisomie 21.

Un enjeu pour l’avenir : la thérapie génique somatique.

On peut pallier à la déficience d’un gène par une thérapie génique somatique.

 

II.3. Thème 3 - Diversité et complémentarité des métabolismes (10 semaines)

Autotrophie et hétérotrophie ont été identifiées en classe de seconde comme deux types majeurs de métabolismes chez les êtres vivants.

Cette partie du programme de spécialité de la classe de terminale S donne l’occasion d’étudier le métabolisme à l’échelle de l’organisme et de la cellule. Elle conduit à une meilleure compréhension des phénomènes à l’origine de la synthèse des constituants moléculaires des cellules.

La phase photochimique de la photosynthèse et la respiration mitochondriale sont des processus contribuant au renouvellement de molécules comme l’ATP utilisées lors des synthèses et activités cellulaires (transports, mouvements). L’étude de ces fonctions donne aussi l’occasion de compléter la construction du bilan structural et fonctionnel de la cellule en tenant compte des acquis des années précédentes, et d’aborder l’origine d'organites tels que mitochondries et chloroplastes.

Activités envisageables

Notions et contenus

 

Observation ou documentation sur la structure d’un exemple d’écosystème, les différents êtres vivants qui constituent sa biocénose et les relations trophiques qui existent entre eux.

Étude d’une coupe de feuille. Localisation du parenchyme chlorophyllien et des stomates.

Étude en microscopie optique de chloroplastes.

Étude d’électronographies de chloroplastes.

Mise en évidence d'une production de matière organique et d’O2 à la lumière en présence de CO2 par des végétaux chlorophylliens.

Séparation de pigments photosynthétiques par chromatographie.

Étude des spectres d’absorption de pigments chlorophylliens.

Comparaison du spectre d’action et du spectre d’absorption pour un végétal.

Étude par ExAO des conditions du dégagement d'oxygène avec des cellules ou des chloroplastes isolés.

Réaction de Hill.


Mise en évidence d’amidon dans les chloroplastes.

 

 

 

 

 

 

 

Mise en évidence de réserves dans des graines, des fruits, des organes souterrains.

 

 

 

Observation de mouvements de cyclose.

Observation de contraction de fibres musculaires.

Étude d’électronographies de fibres musculaires.

 

 

 

Étude expérimentale de la respiration de suspensions cellulaires.

 

Étude expérimentale de la respiration des mitochondries.

 

Étude d’électronographies de mitochondries.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Etude expérimentale de la fermentation alcoolique.

 

 

 

 

 

A partir de documents, construction de schémas fonctionnels mettant en place les relations fonctions- structures au sein d’une cellule (utilisation des connaissances antérieures).

 

Du carbone minéral aux composants du vivant : la photo-autotrophie pour le carbone

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

Les producteurs primaires de la planète utilisent le carbone du CO2 atmosphérique pour constituer les chaînes carbonées, bases des composants du vivant. Le carbone se trouve à l’état oxydé dans l’atmosphère et à l’état réduit dans la matière constitutive des organismes vivants.

Chez les végétaux supérieurs, le CO2 de l’air pénètre dans les feuilles par les stomates et atteint les chloroplastes des cellules chlorophylliennes, lieu de la réduction photosynthétique du CO2 .

Le bilan des transformations (= ensemble de réactions biochimiques catalysées par des enzymes) peut s’écrire : 

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’oxydo-réductions permet l’oxydation de l’eau, la production d’O2 , de composés intermédiaires RH2 et ATP (adénosine triphosphate qui se construit à partir d’ADP et de phosphate inorganique).
  • Dans le stroma, une phase non photochimique permet l’incorporation et la réduction du CO2 pour la synthèse de glucides. Elle nécessite un accepteur de CO2 , de l'ATP et des composés réduits RH2.

Limites :
La notion de facteur limitant n’est pas au programme.
Le fonctionnement des centres photosynthétiques, des chaînes d’oxydo-réduction et de l’ATP synthase n’est pas au programme.

 Les composés glucidiques formés par la réduction du CO2  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.

Limites :
L’étude des mécanismes et des supports de transport des sèves n’est pas au programme.
L’étude de l’absorption racinaire n’est pas au programme.
L’étude des synthèses des différents constituants des êtres vivants n’est pas au programme.

 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).

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

L’ATP, molécule indispensable à la vie cellulaire

A 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.

Dégradation des composés organiques et régénération des intermédiaires métaboliques

Toute cellule vivante, isolée ou non, animale ou végétale (autotrophe et non autotrophe), régénère son ATP en oxydant des molécules organiques par processus respiratoire ou fermentaire.

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

La respiration comporte plusieurs réactions chimiques catalysées par des enzymes. Au cours de ces réactions, la matière carbonée est minéralisée sous forme de CO2.

- 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.

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

 - La dernière étape se déroule dans les crêtes de 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.

 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.

Limites : Les fermentations autres que la fermentation alcoolique ne sont pas au programme.

 Bilan structural et fonctionnel d’une cellule vivante

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

La cellule eucaryote est formée de compartiments 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 adoptées 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.