Spécialité SVT Terminale

La conservation des génomes : stabilité génétique et évolution clonale

En enseignement de spécialité de la classe de première,les élèves ont appris que la succession de mitoses
produit un clone, c’est-à-dire un ensemble de cellules, toutes génétiquement identiques, aux mutations près. Ces clones sont constitués de cellules séparées (cas des nombreuses bactéries ou de nos cellules sanguines) ou associées de façon stable (cas des tissus solides).

En l’absence d’échanges génétiques avec l’extérieur, la diversité génétique dans un clone résulte de
l’accumulation de mutations successives dans les différentes cellules. Tout accident génétique irréversible (perte de gène par exemple) devient pérenne pour toute la lignée (sous-clone) qui dérive du mutant.

Le brassage des génomes à chaque génération : la reproduction sexuée des eucaryotes

La fécondation entre gamètes haploïdes rassemble, dans une même cellule diploïde, deux génomes d’origine
indépendante apportant chacun un lot d’allèles. Chaque paire d’allèles résultant est constituée de deux allèles identiques (homozygotie) ou de deux allèles différents (hétérozygotie).

En fin de méiose, chaque cellule produite reçoit un seul des deux allèles de chaque paire avec une probabilité équivalente. Pour deux paires d’allèles, quatre
combinaisons d’allèles sont possibles, équiprobables ou non en cas de gènes liés.

Le nombre de combinaisons génétiques possibles dans les gamètes est d’autant plus élevé que le nombre de gènes à l’état hétérozygote est plus grand chez les parents.

Comprendre les résultats de la reproduction sexuée : principes de base de la génétique

L’analyse génétique peut se fonder sur l’étude de la transmission héréditaire des caractères observables (phénotype) dans des croisements issus le plus souvent de lignées pures (homozygotes) et ne différant que par un nombre limité de caractères.

Dans le cas de l’espèce humaine, l’identification des allèles portés par un individu s’appuie d’abord sur une étude au sein de la famille, en appliquant les principes de transmission héréditaire des caractères.

Le développement des techniques de séquençage de l’ADN et les progrès de la bioinformatique donnent directement accès au génotype de chaque individu comme à ceux de ces ascendants et descendants.
L’utilisation de bases de données informatisées permet d’identifier des associations entre certains gènes mutés et certains phénotypes.

Les accidents génétiques de la méiose

Des anomalies peuvent survenir au cours de la méiose : crossing-over inégal ; migrations anormales de chromatides au cours des divisions de méiose ; etc. Ces accidents, souvent létaux, engendrent parfois une diversification importante des génomes et jouent un rôle essentiel dans l’évolution biologique (familles multigéniques, barrières entre populations, etc.).

Il s’agit d’abord d’identifier les conséquences génétiques, pour les individus, des divisions cellulaires étudiées en classe de première. Cela permet aussi :
- de comprendre que la reproduction sexuée garantit l’émergence de nouveaux génomes chez les êtres vivants, en tolérant des erreurs (qui
deviennent des innovations) au sein d’espèces vivantes de plus en plus complexes à l’échelle des temps géologiques ;
- d’acquérir les principes de bases de l’analyse génétique sur des exemples simples.

Comprendre la notion de clone à partir de divers exemples tirés de l’agriculture ou du domaine de la santé (cellules cancéreuses, lymphocytes B producteurs d’un seul anticorps, clones bactériens).

En fonction du nombre de cellules de l’organisme humain, estimer le nombre théorique de mutations (connaissant le nombre moyen de mutations à chaque division cellulaire) qui surviennent dans
l’organisme humain, lors de son développement.

Extraire et organiser des informations sur les mutations et leurs effets phénotypiques, notamment sur un site régulateur de l’expression d’un gène.

Extraire et organiser des
informations sur l’élaboration des lois de Mendel.

Comprendre les relations de dominance / récessivité en fonction de l’équipement chromosomique chez les diploïdes (par exemple sur le système ABO, et/ou les gènes de la globine).

Schématiser les conséquences de la méiose pour deux paires
d’allèles portés par deux chromosomes différents ou par un même chromosome.

Interpréter des résultats de croisements avec transmission de deux paires d’allèles (liés ou non entre eux), portés ou pas par les chromosomes sexuels.

Recenser et comparer des séquences d’ADN sur des trios père / mère / enfant permettant d’analyser la présence de mutations nouvelles.

Recenser des informations sur les nombreux mutants du gène de la mucoviscidose et les analyses prédictives qui peuvent être conduites.

Schématiser les mécanismes expliquant certaines anomalies chromosomiques après méiose et fécondation.

On s’appuie sur l’exemple de l’être humain ou sur ceux d’organismes eucaryotes modèles en génétique parmi les animaux, les plantes ou les ascomycètes. On ne traite pas  d’exemples de croisement génétique pour plus de deux paires d’allèles.

L’universalité de l’ADN et l’unicité de sa structure dans le monde vivant autorisent des échanges génétiques entre organismes non nécessairement apparentés.

Des échanges de matériel génétique, hors de la reproduction sexuée, constituent des transferts horizontaux. Ils se font par des processus variés (vecteurs viraux, conjugaison bactérienne ...).

Les transferts horizontaux sont très fréquents et ont des effets très importants sur l’évolution des populations et des écosystèmes. Les pratiques de santé humaine sont concernées (propagation des résistances aux antibiotiques).

Les endosymbioses transmises entre générations,
fréquentes dans l’histoire des eucaryotes, jouent un rôle important dans leur évolution. Le génome de la cellule (bactérie ou eucaryote) intégré dans une cellule hôte régresse au cours des générations, certains de ses gènes étant transférés dans le noyau de l’hôte. Ce
processus est à l’origine des mitochondries et des chloroplastes, organites contenant de l’ADN.

Étudier des expériences historiques mettant en évidence la transformation bactérienne.

Comprendre comment la connaissance des mécanismes des transferts horizontaux permet des applications biotechnologiques (notamment la production de molécules d’intérêt dans les lignées bactériennes).

Recenser des informations
attestant l’existence de transferts horizontaux de gènes dans
l’histoire du génome humain.

Extraire et organiser des informations d’un arbre
phylogénétique pour identifier l’importance des transferts horizontaux.

Mettre en œuvre une méthode permettant de comprendre les arguments qui ont conduit à considérer que les organites énergétiques sont issus de symbioses dans la lignée des
eucaryotes.

Origine virale des syncytines humaines

Dans les populations eucaryotes à reproduction sexuée, le modèle théorique de Hardy-Weinberg prévoit la stabilité des fréquences relatives des allèles dans une population. Mais, dans les populations réelles, différents facteurs empêchent d’atteindre cet équilibre théorique : l’existence de mutations, le caractère favorable ou défavorable de celles-ci, la taille limitée d’une population (effets de la dérive génétique), les migrations et les préférences sexuelles.

Les populations sont soumises à la sélection naturelle et à la dérive génétique. À cause de l’instabilité de
l’environnement biotique et abiotique, une différenciation génétique se produit obligatoirement au cours du temps. Cette différenciation peut conduire à limiter les échanges réguliers de gènes entre différentes populations. Toutes les espèces apparaissent donc comme des ensembles hétérogènes de populations, évoluant continuellement dans le temps.

Il s’agit avant tout de mobiliser les acquis des élèves sur les mécanismes de l’évolution et de comprendre, en s’appuyant sur des exemples variés, que ces mécanismes concernent toutes les populations vivantes.

Comprendre et identifier les facteurs éloignant de l’équilibre théorique de Hardy-Weinberg, notamment l’appariement non- aléatoire, la sélection, la population finie (dérive).

Extraire, organiser et exploiter des informations sur l’évolution
de fréquences alléliques dans des populations.

Questionner la notion d’espèce en s’appuyant sur les apports modernes du séquençage de
l’ADN.

La diversification phénotypique des êtres vivants n’est pas uniquement due à la diversification génétique.
D’autres mécanismes interviennent :

- associations non héréditaires (pathogènes ou symbiotes ; cas du microbiote acquis) ;
- recrutement de composants inertes du milieu qui modulent le phénotype (constructions, parures, etc.).

Chez certains animaux, les comportements acquis peuvent être transmis d’une génération à l’autre et constituer une source de diversité : ainsi du chant des oiseaux, de l’utilisation d’outils dans des populations animales, de la culture notamment dans les sociétés humaines. Ces traits sont transmis entre contemporains et de génération en génération, et subissent une évolution (apparition de nouveaux traits, qui peuvent être sélectionnés, contre-sélectionnés ou perdus par hasard).

Il s’agit de comprendre, en s’appuyant sur des exemples variés dans le monde vivant, que la diversification des êtres vivants n’est pas toujours liée à une diversification génétique ou à une transmission d'ADN.

Étudier un exemple de diversification du vivant sans modification du génome.

Extraire, organiser et exploiter des informations pour :

- appréhender la notion de phénotype étendu ;
- appréhender la notion d’évolution culturelle et ses liens avec celle d’évolution biologique

La chronologie relative

Les relations géométriques (superposition, recoupement, inclusion) permettent de reconstituer la chronologie relative de structures ou d’événements géologiques de différentes natures et à différentes échelles d’observation.

Les associations de fossiles stratigraphiques, fossiles ayant évolué rapidement et présentant une grande extension géographique, sont utilisées pour caractériser des intervalles de temps.

L’identification d’associations fossiles identiques dans des régions géographiquement éloignées permet l’établissement de corrélations temporelles entre formations.

Les coupures dans les temps géologiques sont établies sur des critères paléontologiques : l’apparition ou la disparition de groupes fossiles.

La superposition des intervalles de temps, limités par des coupures d’ordres différents (ères, périodes, étages), aboutit à l’échelle stratigraphique.

La chronologie absolue

La désintégration radioactive est un phénomène continu et irréversible ; la demi-vie d’un élément radioactif est caractéristique de cet élément.

La quantification de l’élément père radioactif et de l’élément fils radiogénique permet de déterminer l’âge des minéraux constitutifs d’une roche.

Différents chronomètres sont classiquement utilisés en géologie. Ils se distinguent par la période de l’élément père.

Le choix du chronomètre dépend de l’âge supposé de l’objet à dater, qui peut être appréhendé par chronologie relative.

Les datations sont effectuées sur des roches magmatiques ou métamorphiques, en utilisant les roches totales ou leurs minéraux isolés.

L’âge obtenu est celui de la fermeture du système considéré (minéral ou roche). Cette fermeture
correspond à l’arrêt de tout échange entre le système considéré et l’environnement (par exemple quand un cristal solide se forme à partir d’un magma liquide). Des températures de fermeture différentes pour différents minéraux expliquent que des mesures effectuées sur un même objet tel qu’une roche, avec différents chronomètres, puissent fournir des valeurs différentes.

Comprendre et enseigner la datation relative

Logiciel Chronocoupe

Datation relative des ophiolites du Queyras

Les échelles stratigraphiques

La datation isotopique, comprendre et enseigner

Datation d'un hominidé "Orrorin" par la méthode potassium/argon

Les élèves appréhendent les méthodes du géologue pour construire une chronologie des objets étudiés. Ils comprennent la pertinence des méthodes employées en fonction du contexte géologique et identifient les limites d’utilisation des différentes stratégies de datation. Ils approfondissent les méthodes qu’ils ont acquises dans les classes précédentes, notamment l’exploitation des supports pétrographiques (échantillons, lames minces) et cartographiques. Ils font un nouvel usage de la carte de France au 1/10⁶, articulé sur les données chronologiques.

Utiliser les relations géométriques pour établir une succession chronologique d’événements à partir d’observations à différentes échelles et sur différents objets (lames minces observées au microscope, affleurements, cartes géologiques).

Observer une succession d’associations fossiles différentes dans une formation géologique et comprendre comment est construite une coupure stratigraphique (par exemple par l’étude des successions d’ammonites, de trilobites ou de foraminifères).

Comprendre les modalités de construction de l’échelle stratigraphique ; discuter les fondements et la validité des différents niveaux de coupures.

Observer les auréoles liées à la désintégration de l’uranium dans les zircons au sein des biotites.

Mobiliser les bases physiques de la désintégration radioactive.

Identifier les caractéristiques (demi-vie ; distribution) de quelques chronomètres reposant sur la décroissance radioactive, couramment utilisés dans la datation absolue : Rb/Sr, K/Ar, U/Pb.

Comprendre le lien, à partir d’un exemple, entre les conditions de fermeture du système
(cristallisation d’un magma, ou mort d’un organisme vivant) et l’utilisation de chronomètres différents.

Extraire des informations à partir de cartes géologiques ; utiliser les apports complémentaires de la chronologie relative et de la chronologie absolue pour reconstituer une histoire géologique.

Datation relative dans le Cotentin

Logiciels Time Scale Creator et calendrier géologique

Des domaines continentaux révélant des âges variés

Les continents associent des domaines d’âges différents. Ils portent des reliquats d’anciennes chaînes de montagnes (ou ceintures orogéniques) issues de cycles orogéniques successifs.

La recherche d’océans disparus

Les ophiolites sont des roches de la lithosphère océanique. La présence de complexes ophiolitiques formant des sutures au sein des chaînes de montagnes témoigne de la fermeture de domaines océaniques, suivie de la collision de blocs continentaux par convergence de plaques lithosphériques.

L’émergence d’ophiolites résulte de phénomènes d’obduction ou de subduction, suivis d’une exhumation.

Les marques de la fragmentation continentale et de l’ouverture océanique

Les marges passives bordant un océan portent des marques de distension (failles normales et blocs basculés) qui témoignent de la fragmentation initiale avant l’accrétion océanique.

Les stades initiaux de la fragmentation continentale correspondent aux rifts continentaux.

La dynamique de la lithosphère détermine ainsi différentes périodes paléogéographiques, avec des périodes de réunion de blocs continentaux, liées à des collisions orogéniques, et des périodes de fragmentation conduisant à la mise en place de nouvelles dorsales.

Fossé Rhénan

Rift avorté

Observer la carte géologique mondiale afin d’identifier quelques ceintures orogéniques.

Recenser et organiser les informations chronologiques sur les formations magmatiques et
métamorphiques, figurant sur une carte de France au 10⁶.

Recenser, extraire et organiser des données de terrain ou cartographiques pour argumenter :

- sur l’origine océanique d’un complexe ophiolitique (données pétrographiques et minéralogiques) ;
- sur l’idée de suture (données cartographiques : par exemple, les Alpes ou l’Himalaya).

Établir des corrélations entre la composition minéralogique d’une roche et les différentes conditions de pression et de température, déterminées par les contextes de subduction.

Recenser, organiser et exploiter des données (sismiques, tectoniques, sédimentaires) :

- relatives à des marges passives divergentes ;
- relatives à un rift continental (par exemple, le rift des Afars).

Rift Afars

Par diverses caractéristiques, les plantes terrestres montrent une capacité d’adaptation à la vie fixée à l’interface sol/atmosphère, dans des environnements variables.

Les plantes développent de grandes surfaces d’échange, aériennes d’une part (optimisation de l’exposition à la lumière, source d’énergie, transferts de gaz) et souterraines d’autre part (absorption d’eau et d’ions du sol facilitée le plus souvent par des symbioses, notamment les mycorhizes).

Des tissus conducteurs canalisent les circulations de matière dans la plante, notamment entre les lieux d’approvisionnement en matière minérale, les lieux de synthèse organique et les lieux de stockage.
Le développement d’une plante associe croissance (multiplication cellulaire par mitoses dans les méristèmes, suivie d’élongation cellulaire) et différenciation d’organes (tiges, feuilles, fleurs, racines) à partir de méristèmes. Ce développement conduit à une organisation modulaire en phytomères, contrôlée par des hormones végétales et influencée par les conditions de milieu.

Il s’agit d’aboutir à une compréhension globale de la plante, de ses différents organes et de leurs fonctions. Un schéma fonctionnel synthétique permet de présenter les notions à retenir.

Conduire l’étude morphologique simple d’une plante commune mettant en lien structure et fonction.

Estimer (ordre de grandeur) les surfaces d’échange d’une plante par rapport à sa masse ou son volume.

Mettre en œuvre un protocole expérimental de localisation des zones d’élongation au niveau des parties aériennes ou souterraines.

Étudier les surfaces d’échange des mycorhizes, associations symbiotiques entre champignons et racines de plantes, déjà observées en classe de première.

Réaliser et observer des coupes dans des organes végétaux afin de repérer les grands types de tissus conducteurs (phloème, xylème).

Étudier et/ou réaliser les expériences historiques sur l’action de l’auxine dans la croissance racinaire ou caulinaire.

Établir et mettre en œuvre des protocoles montrant l’influence des conditions de milieu (lumière, gravité, vent) sur le développement de la plante.

Les parties aériennes de la plante sont les lieux de production de matière organique par photosynthèse.Captée par les pigments chlorophylliens au niveau du chloroplaste, l’énergie lumineuse est convertie en énergie chimique par la photolyse de l’eau, avec libération d’O₂ et réduction du CO₂ aboutissant à la
production de glucose et d’autres sucres solubles. Ceux- ci circulent dans tous les organes de la plante où ils sont métabolisés, grâce à des enzymes variées, en produits assurant les différentes fonctions biologiques dont :

- la croissance et le port de la plante (cellulose, lignine) ;
- le stockage de la matière organique (saccharose, amidon, protéines, lipides) sous forme de réserves dans différents organes, qui permet notamment de résister aux conditions
défavorables ou d’assurer la reproduction ;
- les interactions mutualistes ou compétitives avec d’autres espèces (anthocyanes, tanins).

chloroplaste, pigments chlorophylliens, photolyse de l’eau, réduction du CO₂, sève brute et sève élaborée, diversité chimique dans la plante

On s’intéresse ici avant tout au bilan et aux produits de la photosynthèse, à leur diversité et à leur fonction dans les plantes. Les mécanismes moléculaires de la photosynthèse ne sont pas étudiés, pas plus que le détail des formules biochimiques.

Étudier et/ou mettre en œuvre des expériences historiques sur laphotosynthèse.

Réaliser et observer des coupes dans des organes végétaux pour repérer une diversité de métabolites.

Mettre en évidence expérimentalement la présence d’amidon dans les chloroplastes et les amyloplastes de réserve dans des organes spécialisés (graine, fruit, tubercules …).

Mettre en œuvre une coloration afin d’identifier la lignine et la cellulose et d’analyser leur distribution.

Réaliser une chromatographie de pigments végétaux.

Extraire, organiser et exploiter des informations sur les effets antiphytophages, antibactériens ou antioxydants des tanins.

Les plantes ont deux modalités de reproduction : sexuée et asexuée.La reproduction asexuée repose sur la totipotence des cellules végétales et les capacités de croissance indéfinie des plantes, à partir de presque n’importe quelle partie du végétal (tiges, racines, feuilles).

La reproduction sexuée est assurée chez les Angiospermes par la fleur où se trouvent les gamètes femelles, au sein du pistil, et les grains de pollen, portés par les étamines, vecteurs des gamètes mâles. Chez certaines espèces, la fécondation des gamètes femelles par les gamètes mâles de la même fleur est possible, voire obligatoire. Dans les autres cas, elle est rendue
impossible par divers mécanismes d’incompatibilité. La fécondation croisée implique une mobilité des grains de pollen d’une plante à une autre.

Dans une majorité de cas, la pollinisation repose sur une collaboration entre plante et pollinisateur en relation avec la structure florale ; le vent peut aussi transporter le pollen. À l’issue de la fécondation, la fleur qui porte des ovules se transforme en un fruit qui renferme des
graines. La graine contient l’embryon d’une future plante qu’elle protège (enveloppe résistante) et nourrit à la germination en utilisant des molécules de réserve préalablement accumulées.

La dispersion des graines est une étape de mobilité dans la reproduction de la plante. Elle repose sur un mutualisme animal disperseur / plante et sur des agents physiques (vent, eau) ou des dispositifs spécifiques à la plante.

Mettre en œuvre un protocole de reproduction asexuée (bouturage, marcottage) ou étudier la régénération des petits fragments tissulaires en laboratoire.

Réaliser la dissection d’une fleur entomogame pour mettre en lien structure et fonction.

Mettre en évidence, dans l’analyse fonctionnelle d’une fleur, les relations entre une plante et un animal pollinisateur, et leurs éventuelles implications évolutives (coévolution).

Mettre en œuvre un protocole de sciences participatives sur les relations plantes/polinisateurs.

Mettre en évidence les réserves de la graine et interpréter des expériences historiques sur la germination montrant la mobilisation des réserves de la graine.

Mettre en évidence les relations entre une plante et un animal disséminateur de graines.

Les pratiques culturales (par exemple pour la production de graines) constituent un enjeu majeur pour nourrir l’humanité.

La sélection (empirique ou programmée) exercée par l’être humain sur les plantes cultivées au cours des siècles a retenu des caractéristiques différentes de celles qui étaient favorables à leurs ancêtres sauvages. Cette sélection s’est opérée au cours de l’établissement d’une relation mutualiste entre plantes et êtres humains.

Aujourd’hui, de nombreuses techniques favorisent la création de plus en plus rapide de nouvelles variétés végétales (par hybridation, par utilisation des biotechnologies, etc.). La production de semences commerciales est devenue une activité spécialisée.

Une espèce cultivée présente souvent de nombreuses variétés (forme de biodiversité). Cette diversité résulte de mutations dans des gènes particuliers. L’étude des génomes montre un appauvrissement global de la diversité allélique lors de la domestication. La perte de certaines caractéristiques des plantes sauvages (comme des défenses chimiques ou des capacités de dissémination) et l’extension de leur culture favorisent le développement des maladies infectieuses végétales. Ces fragilités doivent être compensées par des pratiques culturales spécifiques. L’exploitation des ressources génétiques (historiques ou sauvages si elles existent) permet d’envisager de nouvelles méthodes de cultures (réduction de l’usage des intrants, limitation des ravageurs par lutte biologique).

La domestication des plantes, menée dans différentes régions du monde, a eu des conséquences importantes dans l’histoire des populations humaines. Elle a contribué à la sélection de caractères génétiques humains spécifiques.

les élèves comprennent comment l’humanité a domestiqué des espèces végétales variées afin d’optimiser leurs caractéristiques (rendement, facilité de récolte, etc.) au détriment de leur diversité génétique initiale et de leur capacité à se reproduire sans l’intervention humaine. De manière réciproque, les élèves comprennent que la domestication végétale a aussi eu une influence sur l’humanité en étudiant un exemple où l’évolution culturelle du régime alimentaire a entraîné une évolution biologique de populations humaines.

Comparer une plante cultivée et des populations naturelles voisines présentant un phénotype sauvage.

Identifier la diversité biologique de certaines plantes cultivées (tomate, chou, pomme de terre par exemple).

Comprendre les enjeux de société relatifs à la production des semences.

Conduire un projet pour suivre une culture de semences commerciales sur plusieurs générations, en prévoyant un protocole de comparaison des productions obtenues.

Identifier des caractères favorisés par la domestication (taille, rendement de croissance, nombre des graines, précocité, déhiscence, couleur, etc.).

Recenser, extraire et organiser des informations sur des exemples d’utilisation de biotechnologies pour créer de nouvelles variétés : transgénèse,édition génomique, etc.

Recenser, extraire et exploiter des informations concernant des mécanismes protecteurs chez une plante sauvage (production de cuticules, de toxines, d’épines, etc.) et les comparer à ceux d’une plante cultivée.

Recenser, extraire et exploiter des informations relatives aux risques induits par l’homogénéisation génétique des populations végétales (sensibilité aux maladies : crise de la pomme de terre en Irlande, conséquence d’une infection virale chez la banane, etc.).

Analyser des informations sur la quantité d’amylase salivaire ou sur les gènes de synthèse des omégas 3 dans les populations humaines et établir le lien entre ces éléments et le régime alimentaire de ces populations.

D’environ 1°C en 150 ans, le réchauffement climatique observé au début du XXIe siècle est corrélé à la perturbation du cycle biogéochimique du carbone par l’émission de gaz à effet de serre liée aux activités humaines.
À l’échelle du Quaternaire, des données préhistoriques, géologiques et paléo-écologiques attestent l’existence, sur la période s’étendant entre -120 000 et -11 000 ans, d’une glaciation, c’est-à-dire d’une période de temps où la baisse planétaire des températures conduit à une vaste extension des calottes glaciaires. Les témoignages glaciaires (moraines), la mesure de rapports isotopiques de l’oxygène dans les carottes polaires antarctiques et les sédiments font apparaître une alternance de périodes glaciaires et interglaciaires durant les derniers
800 000 ans.

Les rapports isotopiques montrent des variations cycliques coïncidant avec des variations périodiques des paramètres orbitaux de la Terre. Celles-ci ont modifié la puissance solaire reçue et ont été accompagnées de boucles de rétroactions positives et négatives (albédo lié à l’asymétrie des masses continentales dans les deux hémisphères, solubilité océanique du CO₂) ; elles sont à
l’origine des entrées et des sorties de glaciation.

Globalement, à l’échelle du Cénozoïque, et depuis 30 millions d’années, les indices géochimiques des
sédiments marins montrent une tendance générale à la baisse de température moyenne du globe.
Celle-ci apparaît associée à une baisse de la concentration atmosphérique de CO₂ en relation avec
l’altération des matériaux continentaux, notamment à la suite des orogénèses du Tertiaire. De plus, la variation de la position des continents a modifié la circulation océanique.
Au Mésozoïque, pendant le Crétacé, les variations climatiques se manifestent par une tendance à une hausse de température. Du fait de l’augmentation de
l’activité des dorsales, la géodynamique terrestre interne semble principalement responsable de ces variations.
Au Paléozoïque, des indices paléontologiques et
géologiques, corrélés à l’échelle planétaire et tenant compte des paléolatitudes, révèlent une importante glaciation au Carbonifère-Permien. Par la modification du cycle géochimique du carbone qu’elles ont entraînée, l’altération de la chaîne hercynienne et la fossilisation importante de matière organique (grands gisements carbonés) sont tenues pour responsables de cette glaciation.

Pour comprendre les variations climatiques, l’élève identifie les méthodes de mesure les plus adéquates, comprend les mécanismes potentiellement responsables de ces évolutions et acquiert une idée générale de l’amplitude thermique des variations climatiques reconstruites depuis le début du Paléozoïque. Au terme de son étude, il est capable de formuler des hypothèses explicatives sur les spécificités du réchauffement climatique à la lueur de ses connaissances des climats passés. Il exerce un regard critique sur tous les biais d’interprétation pouvant affecter la compréhension de systèmes complexes impliquant de nombreux phénomènes.

Mettre en évidence l’amplitude et la période des variations climatiques étudiées à partir d’une convergence d’indices.

Mobiliser les connaissances acquises sur les conséquences des activités humaines sur l’effet de serre et sur le cycle du carbone.

Rassembler et confronter une diversité d’indices sur le dernier maximum glaciaire et sur le réchauffement de l’Holocène (changement de la mégafaune dans les peintures rupestres, cartographie des fronts morainiques, construction et utilisation de diagrammes polliniques, terrasses, paléoniveaux marins …).

Comprendre et utiliser le concept de thermomètre isotopique (δ¹⁸O dans les glaces arctiques et antarctiques, δ¹⁸O dans les carbonates des sédiments océaniques) pour reconstituer indirectement des variations de températures.

Mettre les variations temporelles des paramètres orbitaux, définis par Milankovitch, en relation avec les variations cycliques des températures au Quaternaire.

Exploiter la carte géologique du monde pour calculer les vitesses d’extension des dorsales aux périodes considérées.

Utiliser les connaissances acquises sur la géodynamique interne et la tectonique des plaques pour comprendre leur rôle sur le climat et mettre en relation la nature des roches formées avec les paléoclimats du Crétacé.

Reconstituer l’extension de la glaciation permienne à partir de la distribution des tillites.

Reconstituer un paléoclimat local à partir d’une variété d’indices paléontologiques ou géologiques en tenant compte de la paléo- latitude (ex : paléobiocénose des forêts carbonifères de Montceau-les-Mines par rapport à d’autres indices localisés à d’autres endroits de la planète).

Exploiter des bases de données pour reconstituer les paléoceintures climatiques.

Exploiter les équations chimiques associées aux transformations d’origines géologiques pour modéliser les modifications de la concentration en CO₂ atmosphérique.

Mobiliser les acquis antérieurs sur le cycle du carbone biosphérique et les enrichir des connaissances sur les réservoirs géologiques (carbonates, matière organique fossile) et leurs interactions.

Discuter de l’existence d’indices pas toujours cohérents avec l’amplitude, la période et la temporalité des variations climatiques pour des raisons résolues (exemples des terrasses fluviatiles) ou encore à résoudre (petit âge glaciaire).

paramètres orbitaux

Un effort de recherche scientifique majeur est mené depuis quelques dizaines d’années pour élaborer un modèle robuste sur le changement climatique, ses causes et ses conséquences, et pour définir les actions qui peuvent être conduites pour y faire face.
En dehors des effets abiotiques, le réchauffement climatique a des impacts importants sur la biodiversité et la santé humaine :
- par des effets directs sur les populations (effectifs, état sanitaire, répartition à la surface du globe) et sur leur évolution ;
- par des effets indirects liés aux perturbations des écosystèmes naturels et agricoles (approvisionnement et régulation).

L’augmentation de la concentration en CO₂ favorise la production de biomasse, mais des difficultés peuvent résulter de la faible disponibilité des terres agricoles suite à la désertification ou à la montée du niveau marin, à la diffusion de pathogènes, à l’évolution de la qualité des sols et des apports en eau).
Aux niveaux individuel et collectif, il convient de mener des recherches et d’entreprendre des actions :
- en agissant par la réduction des émissions de gaz à effet de serre (les bénéfices et inconvénients de méthodes de stockage du carbone sont à l’étude) ;
- en proposant des adaptations.
Il existe, dans différents pays, des plans d’action bâtis sur un consensus scientifique, dont l’objectif est de renforcer l’acquisition des connaissances, ainsi que l’évaluation éclairée et modulable des stratégies mises en place.

Plusieurs éléments de cette partie sont abordés en enseignement scientifique de la classe terminale. Ils sont mobilisés ici comme outils d’analyse. Il ne s’agit pas de réaliser un catalogue des conséquences du réchauffement climatique ni des actions d’atténuation et d’adaptation possibles. À partir d’un nombre réduit d’exemples, il s’agit de réinvestir les connaissances et outils vus précédemment pour comprendre un problème donné, à partir d’un corpus d’informations fournies. On veille à une complémentarité avec ce qui est développé en enseignement scientifique. On cherche aussi, dans la mesure du possible, à favoriser une démarche de projet en étudiant un exemple de manière approfondie, en insistant sur les méthodes d’études, d’évaluation et de synthèse (revues systématiques, méta-analyses).
On insiste enfin sur la complémentarité entre atténuation et adaptation, entre démarche individuelle et démarche collective, et entre politiques nationales et internationales, pour faire face au réchauffement climatique.

Montrer comment le travail des scientifiques permet de disposer de modèles et d’arguments qui peuvent orienter les décisions publiques.
Prendre conscience que certains biais cognitifs doivent être surmontés (confusion entre météorologie et climatologie, mauvaise appréhension des échelles de temps, méconnaissance des données scientifiques, confusion entre corrélation et causalité).
Réaliser et /ou analyser un suivi de long terme de la distribution spatiale des espèces face au réchauffement climatique (déplacement en altitude ou en latitude, invasions biologiques …).
Suivre et analyser l’évolution d’un service écosystémique
(dépollution de l’eau et de l’air, lutte contre l’érosion, fixation de carbone, etc.).
Concevoir et mettre en œuvre une ou plusieurs démarches de projet pour comprendre et évaluer dans
sa complexité une stratégie d’atténuation ou d’adaptation en réponse aux problèmes posés par le changement climatique.
Mobiliser les modèles de cycle du carbone pour quantifier les mesures individuelles et collectives d’atténuation nécessaires pour limiter le réchauffement climatique.
Comparer les bénéfices/inconvénients de différentes stratégies de stockage du carbone (agriculture et sylviculture, puits miniers, etc.).
Recenser, extraire et exploiter des informations sur les politiques d’adaptation (exemple du Plan National d’Action sur le Changement Climatique (PNAC)) pour identifier les mécanismes et les bénéfices de différentes méthodes (digue et naturalisation des côtes contre l’érosion, végétalisation des villes, prévention et suivi des maladies infectieuses …).

Les réflexes mettent en jeu différents éléments qui constituent l’arc-réflexe.
À partir d’une sensation de départ (stimulus) captée par un récepteur sensoriel, un message nerveux codé en potentiels d’action est élaboré. Il circule dans les neurones sensoriels jusqu’au centre nerveux (corne dorsale de la moelle épinière) où se produit le relais synaptique sur le neurone-moteur.
Celui-ci conduit le message nerveux jusqu’à la synapse neuromusculaire, qui met en jeu l’acétylcholine.
La formation puis la propagation d’un potentiel d’action dans la cellule musculaire entraînent l’ouverture de canaux calciques à l’origine d’une augmentation de la concentration cytosolique en ions calcium, provenant du réticulum sarcoplasmique pour les muscles squelettiques. Cela induit la contraction musculaire et la réponse motrice au stimulus.

- Mettre en évidence les éléments de l’arc-réflexe à partir de matériels variés (enregistrements, logiciels de simulation).
- Réaliser, observer des coupes histologiques de fibres et de nerfs.
- Observer des coupes histologiques de moelle épinière.
- Interpréter des électronographies afin de caractériser le fonctionnement d'une synapse chimique.

Il s’agit de choisir un réflexe impliquant peu de neurones, comme le réflexe myotatique. Concernant le potentiel d’action, les mécanismes liés au fonctionnement des canaux voltage-dépendants ne sont pas au programme. Le fonctionnement des canaux calciques dans la cellule musculaire n’est pas détaillé.

Le cerveau est composé de neurones et de cellules gliales assurant le bon fonctionnement de l’ensemble.L’exploration du cortex cérébral permet de situer les aires motrices spécialisées à l’origine des mouvements volontaires. Les messages nerveux moteurs qui partent du cerveau cheminent par des faisceaux de neurones qui « descendent » dans la moelle jusqu’aux neurones- moteurs. Le corps cellulaire du neurone-moteur reçoit des informations diverses qu’il intègre sous la forme d'un message moteur unique et chaque fibre musculaire reçoit le message d’un seul neurone moteur.
Certains dysfonctionnements du système nerveux modifient le comportement et ont des conséquences sur la santé.
L’apprentissage ou la récupération de la fonction cérébrale après un accident reposent sur une capacité essentielle : la plasticité cérébrale.

Les aires corticales communiquent entre elles par des voies neuronales où se propagent des potentiels
d’action dont la fréquence d’émission est modulée par un ensemble de neurotransmetteurs.
La prise de substances exogènes (alcool, drogues) peut entraîner la perturbation des messages nerveux et provoquer des comportements addictifs.

En s’appuyant sur l’exploitation d’images cérébrales simples, il s’agit de montrer l’existence d’une commande corticale du mouvement.

- Observer au microscope des coupes de système nerveux central et/ou extraire, exploiter desinformations sur le rôle des cellules gliales.

- Utiliser un logiciel de visualisation et/ou extraire et exploiter des informations, notamment à partir d’IRMf, afin de caractériser les aires motrices cérébrales.

- Recenser, extraire et exploiter des informations permettant de :
• comprendre et prévenir certains dysfonctionnements nerveux (par exemple : accident vasculaire cérébral, maladies neuro- dégénératives, infections virales …) ;
• mettre en évidence la plasticité du cortex à partir de situations d’apprentissages ou de récupération post- dysfonctionnement.

- Extraire des informations pour comprendre certains comportements addictifs face à des molécules exogènes.

- Utiliser un logiciel de modélisation et visualisation moléculaire pour comparer neurotransmetteurs et molécules exogènes.

Le muscle strié est un ensemble de cellules musculaires dites striées, organisées en faisceaux musculaires. Le raccourcissement et l’épaississement des muscles lors de la contraction musculaire permettent le mouvement relatif des deux os auxquels ils sont reliés par des tendons.
La cellule musculaire, cellule spécialisée, est caractérisée par un cytosquelette particulier (actine et myosine) permettant le raccourcissement de la cellule.
La contraction musculaire nécessite des ions calcium et l’utilisation d’ATP comme source d’énergie.
Dans certaines myopathies, la dégénérescence des cellules musculaires est due à un défaut dans les interactions entre les protéines membranaires des cellules et la matrice extra-cellulaire.

- Réaliser et/ou observer au microscope optique et au microscope électronique des préparations de cellules musculaires striées, pour enrichir la notion de cellule eucaryote spécialisée.

- Manipuler, modéliser, recenser, extraire et organiser des informations et/ou manipuler (dissections, maquettes, etc.) pour comprendre le fonctionnement du système musculo-articulaire.

- Utiliser un logiciel de modélisation moléculaire pour observer le pivotement des têtes de myosine.

- Remobiliser les acquis sur la matrice extracellulaire à travers l’exemple d’une myopathie.

L’énergie est apportée sous forme de molécules d’ATP à toutes les cellules. Il n’y a pas de stockage de l’ATP, cette molécule est produite par les cellules à partir de matière organique, notamment le glucose.
L’oxydation du glucose comprend la glycolyse (dans le hyaloplasme) puis le cycle de Krebs (dans la mitochondrie) : dans leur ensemble, ces réactions produisent du CO₂ et des composés réduits NADH, H⁺. La chaîne respiratoire mitochondriale permet la réoxydation des composés réduits, par la réduction de dioxygène en eau. Ces réactions conduisent à la production d’ATP qui permet les activités cellulaires.
Il existe une autre voie métabolique dans les cellules musculaires, qui ne nécessite pas d’oxygène et produit beaucoup moins d’ATP.
Les métabolismes anaérobie ou aérobie dépendent du type d’effort à fournir.
Des substances exogènes peuvent intervenir sur la masse ou le métabolisme musculaire, avec des effets parfois graves sur la santé.

Réaliser des expérimentations assistées par ordinateur (ExAO) : respiration cellulaire et/ou fermentation.
Extraire et organiser des informations pour identifier les différentes voies métaboliques.
Observer des électronographies de mitochondries.
Calculer le rendement en kJ (ou nombre de molécules d’ATP) de la fermentation lactique et de la respiration cellulaire, pour une même quantité de glucose.
Localiser les réactions métaboliques nécessaires à la contraction musculaire dans une cellule.
Extraire et mettre en relation des informations sur un produit dopant et ses conséquences sur
l’organisme.

Les cellules musculaires ont besoin de nutriments, principalement de glucose et de dioxygène, puisés dans le sang.
Les réserves de glucose se trouvent sous forme de glycogène dans les cellules musculaires et dans les cellules hépatiques. Elles servent à entretenir des flux de glucose, variables selon l’activité, entre les organes sources (intestin et foie) et les organes consommateurs (dont les muscles).
La glycémie est la concentration de glucose dans le sang, maintenue dans un intervalle relativement étroit autour d’une valeur d’équilibre proche de 1g.L^-1. Elle dépend des apports alimentaires et est régulée par deux hormones sécrétées par le pancréas.
Un dysfonctionnement de la régulation de la glycémie entraîne des complications qui peuvent être à l’origine de diabètes.
L’insuline entraîne l’entrée de glucose dans les cellules musculaires (et hépatiques) et le glucagon provoque la sortie du glucose des cellules hépatiques, grâce à des protéines membranaires transportant le glucose.

- Comparer la consommation de glucose par l’organisme au repos et celles en activité musculaire, en période postprandiale et à jeun.

- Réaliser un protocole expérimental en se fondant sur une démarche historique (par exemple expérience dite du foie lavé).

- Observer des coupes histologiques de pancréas sain et de pancréas diabétique.
Identifier l’effet de différents aliments sur les variations de la glycémie et la sécrétion d’insuline.

Face aux perturbations de son environnement, l’être humain dispose de réponses adaptatives impliquant le système nerveux et lui permettant de produire des comportements appropriés. Le stress aigu désigne ces réponses face aux agents stresseurs.
La réponse de l’organisme est d’abord très rapide : le système limbique est stimulé, en particulier les zones impliquées dans les émotions telles que l’amygdale.
Cela a pour conséquence la libération d’adrénaline par la glande médullo-surrénale. L’adrénaline provoque une augmentation du rythme cardiaque, de la fréquence respiratoire et la libération de glucose dans le sang.
Une autre conséquence des agents stresseurs au niveau cérébral est la sécrétion de CRH par l’hypothalamus : le CRH met à contribution l’axe hypothalamo-hypophyso- corticosurrénalien, entrainant dans un second temps la libération du cortisol. Le cortisol favorise la mobilisation du glucose et inhibe certaines fonctions (dont le système immunitaire). Le cortisol exerce en retour un rétrocontrôle négatif sur la libération de CRH par l’hypothalamus et favorise le rétablissement de conditions de fonctionnement durable (résilience).
Ces différentes voies physiologiques sont coordonnées au sein d’un système, qualifié de complexe, et
permettent l’adaptabilité de l’organisme.

- Recenser, extraire et exploiter des informations pour visualiser la libération différenciée dans le
temps de l’adrénaline et du cortisol et leurs effets.

- Interpréter des données d’imagerie médicale et/ou d’électrophysiologie sur l’activité neuronale de certaines zones cérébrales en réponse à des agents stresseurs.

- Observer des coupes histologiques de glande surrénale.

- Extraire et organiser des informations pour schématiser la boucle de régulation neuro- hormonale.

- Positionner sur un schéma bilan les interactions entre les trois systèmes nerveux, endocrinien, immunitaire.

- Utiliser un modèle pour expliquer la notion de boucle de régulation neurohormonale et la notion de résilience.

Les élèves distinguent la notion d’adaptation évolutive de celle d’adaptabilité physiologique (impliquant un ensemble de réponses adaptatives de l’individu à des variations locales de son environnement). On ne détaille pas les mécanismes expliquant l’effet inhibiteur du cortisol sur le système immunitaire. Dans l’étude des dimensions multiples et liées du stress, on évoque le fait que de nombreux facteurs peuvent intervenir (psychologiques, sociaux, émotionnels, génétiques) dans la réponse physiologique de l’individu. Sans chercher à développer ces facteurs, il s’agit de sensibiliser au fait que les variations interindividuelles peuvent avoir des origines multiples.

Si les agents stresseurs sont trop intenses ou si leur action dure, les mécanismes physiologiques sont débordés et le système se dérègle. C’est le stresschronique.
Il peut entraîner des modifications de certaines structures du cerveau, notamment du système limbique et du cortex préfrontal. Cette forme de plasticité, dite mal-adaptative, se traduit par d’éventuelles
perturbations de l’attention, de la mémoire et des performances cognitives.
Ces dérèglements engendrent diverses pathologies qui sont traitées par des médicaments dont l’effet vise à favoriser la résilience. La prise de ces médicaments, comme les benzodiazépines dans le cas de l’anxiété, doit suivre un protocole rigoureux afin de ne pas
provoquer d’autres perturbations notamment une sédation et des troubles de l’attention.
Certaines pratiques non médicamenteuses sont aussi susceptibles de limiter les dérèglements et de favoriser la résilience du système. Chaque individu est différent face aux agents stresseurs, le stress intégrant des dimensions multiples et liées.

stress chronique, système limbique (amygdale, hippocampe), cortex préfrontal, plasticité du système nerveux, résilience

Après avoir montré la robustesse du système nerveux dans le cas du stress aigu, on aborde ici sa fragilité, dans le cas du stress chronique ; il s’agit de montrer que l’adaptabilité d’un système complexe peut être débordée.

- Interpréter des données cliniques et expérimentales montrant les effets du stress chronique sur lastructuration des voies neuronales.

- Interpréter des données médicales et d’imagerie montrant les effets possibles du CRH sur l’amygdale et l’hippocampe à long terme.

- Recenser et exploiter des informations sur le mode d’action des benzodiazépines pour montrer leur activation des récepteurs à GABA (un neurotransmetteur inhibiteur du système nerveux) et leur effet myorelaxant et anxiolytique.

- Utiliser un logiciel de modélisation moléculaire pour illustrer la complémentarité entre une molécule et son récepteur.

- Concevoir et/ou mettre en œuvre une démarche de projet visant à élaborer un protocole pour tester l’effet de certaines pratiques alternatives (ex : mouvements respiratoires) à court ou long terme, en analyser les limites et comparer à un corpus de données scientifiques.