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1 Chapitre A : adaptation des plantes à la vie fixée Adaptations relatives à la reproduction chez les plantes Favoriser la fécondation croisée entre fleurs Favoriser le transport des fruits Adaptations relatives à la nutrition chez les plantes Augmenter la surface d échange plante / atmosphère = feuilles Augmenter la surface d échange plante / sol = racines Favoriser le transport de matière dans la plante = tissus conducteurs Adaptations relatives à la défense contre les agressions Résister aux prédateurs Résister aux conditions du milieu Chapitre B : brassage génétique et diversification des génomes Succession haploïde / diploïde au cours du cycle de la vie La méiose à ne pas confondre avec la mitose Grâce à la méiose et son brassage inter chromosomique, je suis unique! Grâce à la méiose et son brassage intra chromosomique, je suis encore plus unique!! Grâce à la fécondation je suis encore plus, plus unique. Je suis seul Les éléphants n ont pas le monopole : «même la méiose se trompe» Chapitre C : la diversification du vivant Quelques mécanismes moléculaires de diversification du génome Formation de nouveaux allèles Formation de nouveaux gènes = famille multigénique Hybridation & polyploïdisation chez les végétaux Le transfert horizontal de gènes Diversification des êtres vivants liée aux variations de l expression du génome Diversification des êtres vivants SANS modification du génome Les symbioses Acquisition de nouveaux comportements L. Guérin Page 1 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

2 Chapitre D : de la diversification des êtres vivants A l évolution de la biodiversité L espèce n a pas été découverte, elle a été inventée! Modification des populations au cours du temps Phénomène de spéciation Chapitre E : un regard sur l évolution de l homme Tous les TS sont des primates moi aussi L Homme ne descend pas du singe («ceux qui le disent n ont pas trouvé l escalier» P Picq) Les données chromosomiques Les données génétiques L utopie du «gène candidat» de l Homme La ruée vers l os ne fait que commencer : la définition du genre Homo Chapitre F : la réponse innée = réaction inflammatoire aiguë Système immunitaire = organes + cellules + molécules Le quatre «eur» de la réaction inflammatoire aigüe Le déroulement de la réponse inflammatoire aiguë La reconnaissance des micro-organismes par les cellules sentinelles La sécrétion de médiateurs chimiques de l inflammation Les phagocytes sont à l organisme, ce que les camions verts sont à la ville de Paris Alors pourquoi des anti-inflammatoires, docteur? Chapitre G : l immunité adaptative La réponse adaptative humorale Mode d action des anticorps Structure d un Ac Une danse en trois temps Sélection des LB Amplification des LB Différenciation des LB en plasmocytes La réponse adaptative cellulaire L. Guérin Page 2 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

3 2.1. Mode d action des LT cytotoxiques Une danse en trois temps Sélection des LT Amplification des LT Différenciation des LT8 en LTC L homme du match de la réponse immunitaire : le LT Chapitre H : il n y a pas que le cerveau qui apprend, notre système immunitaire aussi La vaccination Evolution du phénotype immunitaire Chapitre I : caractéristiques de la croûte terrestre La dualité : océan et continent Une croûte continentale qui raccourcit au niveau des chaines de montagne Une croûte continentale qui s épaissit au niveau des chaines de montagne Chapitre J : chaînes de montagne type collision (Alpes, Himalaya) Dans les Alpes, il existe des témoins d un ancien océan Des indices de blocs basculés de l ancienne marge passive Des indices de l ancienne lithosphère océanique : Des indices de sédimentation marine Dans les Alpes, il existe des témoins de la disparition de l océan par subduction Des morceaux de lithosphère océanique métamorphisée dans le domaine de HP/BT : ophiolite métamorphisée Moteur de la subduction : en vieillissant elle se refroidit, donc s épaissit, donc devient de plus en plus dense (qui ça? la lithosphère bien sûr!) Le magmatisme de subduction : une histoire d eau Dans les Alpes, il existe des témoins de la collision entre 2 plaques lithosphériques continentales On retrouve en surface, 3 indices d un raccourcissement horizontal lié à la collision Des plis : déformation souple des roches (voir chapitre précédent) Des failles inverses : déformation cassante des roches (voir chapitre précédent) Des nappes de charriages On retrouve en surface, un indice d épaississement vertical = profondeur du Moho L. Guérin Page 3 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

4 Chapitre K : disparition d une chaîne de montagne Des indices d anciens reliefs Avec le temps et beaucoup d eau : érosion et altération Le recyclage de la croute continentale Chapitre L : tenir debout & réflexe myotatique Tenir debout : vous n y pensez pas! Défier la gravité Aïe le coup de marteau : réflexe myotatique Un peu d électricité : neurones et potentiel d action La transmission synaptique Synases chimiques (entre 2 neurones) Synapses neuromusculaires (entre motoneurone et cellule musculaire) Chapitre M : motricité, volonté et plasticité cérébrale Maître de ses mouvements Plasticité cérébrale et motricité Chapitre N : la géothermie, une nouvelle ressource d énergie Une Terre qui chauffe Une Terre qui chauffe MAIS qui se refroidit Deux phénomènes pour refroidir la Terre La tomographie sismique est à la Terre ce que radiographie est la médecine La géothermie, une ressource gratuite et qui ne libère pas de CO Chapitre O : la plante domestiquée Il y a ans nos ancêtres faisaient déjà de la génétique sans le savoir : domestication Depuis quelques décennies, la sélection variétale diminue la biodiversité végétale Les généticiens s en mêlent : le génie génétique L. Guérin Page 4 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

5 Chapitre A : adaptation des plantes à la vie fixée Pour aller plus loin Problèmes : Comment se nourrir alors que les végétaux sont fixés? Comment se reproduire alors que les végétaux sont fixés? Comment se défendre, contre les prédateurs et les conditions climatiques défavorables, alors que les végétaux sont fixés? 1. Adaptations relatives à la reproduction chez les plantes 1.1. Favoriser la fécondation croisée entre fleurs Pb : comment les végétaux fixés peuvent-ils se reproduire? TP : une histoire de séduction Les fleurs possèdent toutes la même organisation générale composée de 4 assisses concentriques = verticilles : Schéma fleur en coupe Sépales formant le calice Pétales formant la corolle Etamines Pistil Les 2 derniers verticilles jouent un rôle direct dans la reproduction sexuée en produisant les gamètes, grains de pollen dans les étamines et ovules dans le pistil. L. Guérin Page 5 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

6 Remarque : 3 gènes de développement (et non pas 4 comme l aurait supposée la logique) contrôlent exactement la mise en place des pièces florales. Ainsi les pétales (= le verticille 2), se développent grâce à l expression simultanée des gènes A et B. Modèle ABC Pour aller plus loin sur les gènes de développement : Il existe quelques cas d autofécondation comme chez le pois, mais le plus souvent la pollinisation doit être croisée : le pollen produit par une fleur A ne peut pas féconder les ovules de cette même fleur A mais ceux d une fleur B. La pollinisation peut être alors assurée par : Chez les plantes entomogames : les animaux comme les abeilles, les papillons qui sont attirées par le nectar, des odeurs ou la forme des fleurs. En travaillant de fleurs en fleurs, ils réalisent la pollinisation croisée. La nature offre de très nombreux exemples de coévolution, où 2 espèces, une animale et une végétale, en interaction l une avec l autre affichent des transformations morphologiques. Ainsi chaque innovation chez une espèce ayant un effet sur l interaction, elle va contribuer à sélectionner un caractère symétrique chez l autre espèce. Ophrys mouche = fleur au mimétisme évident Chez les plantes anémogames : le vent se charge du transport des grains de pollen. Dans ce cas, le pollen est particulièrement léger avec par exemple des sacs aérifères. Pollen de sapin avec 2 sacs aérifères L. Guérin Page 6 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

7 1.2. Favoriser le transport des fruits Le grain de pollen germe sur le pistil, puis il va finir par féconder l ovule. La fleur va alors progressivement se transformer en fruit contenant des graines : Transformations de la fleur du cerisier La transformation s accompagne généralement de : Turgescence du pistil qui donne la partie charnue du fruit Sépales reconnaissables à l extrémité du fruit Graines issues des ovules fécondés Pour briller lors d un prochain dessert en famille, découvrez la magie des fruits : La dispersion des fruits et graines, comme pour les pollens fait intervenir 2 stratégies : Transport aérien. Exemple du pissenlit Transport par les animaux. Exemple de l aigremoine Merci Bastien! L. Guérin Page 7 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

8 2. Adaptations relatives à la nutrition chez les plantes 2.1. Augmenter la surface d échange plante / atmosphère = feuilles Le système aérien est composé de tiges portant les très nombreuses feuilles qui sont le siège de la photosynthèse. Afin de favoriser les échanges gazeux, en particulier l entrée CO 2 et la sortie d O 2, les feuilles sont munies d orifice : les stomates Augmenter la surface d échange plante / sol = racines De la même façon, le système souterrain est constitué d un vaste réseau de racines. Afin de favoriser les échanges d eau et sels minéraux, les racines secondaires sont munies de poils absorbants. Remarque : dans certains cas la racine principale peut s enfoncer profondément jusqu au contact d une nappe d eau ou au contraire se développer juste en surface pour récupérer l eau superficielle. Surface d une feuille avec détail d un stomate (MEB) Dans les 2 cas, il s agit de surfaces d échange efficaces. Vue générale, poils absorbants racinaires Francis Hallé - Eloge de la plante Arbre de 40 m de haut Homme de 1,80m et 70 kg Feuilles m² soit 115 terrains de tennis Poumons 100 m² soit ½ terrain de tennis Racines m² soit 500 terrains de tennis Intestins 200 m² soit 1 terrain de tennis Quelques chiffres L. Guérin Page 8 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

9 2.3. Favoriser le transport de matière dans la plante = tissus conducteurs Pb : comment l eau remonte-t-elle des racines aux feuilles? Comment les racines hétérotrophes, reçoivent-elles les molécules organiques (C, H, O, N) fabriquées dans les feuilles? TP «circulez, il n y a rien à boire» La vue en coupe au microscope d une racine, tige, feuille permet d observer les tissus conducteurs dans la plante : La sève brute ascendante circule dans le xylème. La sève élaborée descendante circule dans le phloème. Faisceaux conducteurs teintés de bleu = xylème Observation microscopique d une coupe transversale de tige plongée dans une solution de bleu alimentaire (objectif X10) Merci à Alexandre Lachkar TS1 Faisceaux conducteurs = Phloème (en rose) + Xylème (vert) Observation microscopique d une tige de Sanicule colorée au carmin vert d iode X100? L. Guérin Page 9 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

10 Le xylème est formé de cellules mortes, disposées bout à bout et qui sont renforcées par des dépôts de lignine. A partir de l eau et des sels minéraux puisés dans le sol par les poils absorbants des racines, la sève brute est synthétisée et circule dans la plante jusque dans les parties aériennes. Le phloème est formé de cellules vivantes aux parois de cellulose. Il véhicule la sève élaborée qui redistribue les sucres de la photosynthèse vers tous les organes incapables de la réaliser. Composition chimique des 2 sèves Pour aller plus loin : 3. Adaptations relatives à la défense contre les agressions 3.1. Résister aux prédateurs Moyen de défense contre les prédateurs : épines, poils, molécules toxiques. Exemple de l acacia qui se défend contre les antilopes Koudou : «les arbres se parlent! Un être humain soumis à la peur ou à la colère libère dans son corps en un temps très bref de l adrénaline, qui accélère les battements de son cœur et provoque une vigilance et une réactivité accrues. De la même façon, l acacia agressé élève très vite la teneur en tanins partout dans son feuillage. C est une question de minutes. Ainsi se défend-il, en se chargeant de produits qui, en fonction de la dose, provoquent une amertume puis une toxicité pour ses prédateurs. Mais il fait mieux. Bien mieux. Il prévient ses voisins. Il leur adresse un message sous forme d éthylène, l une des molécules les plus simples qui soient. Ce message d alerte, capté par les feuilles des acacias avoisinants, déclenche chez eux une très forte élévation des teneurs en tanins ; en moins de quinze minutes. Ainsi, tout s éclaire. Les acacias, à l intérieur du périmètre de la clôture, sont sans cesse agressés par les antilopes. Leur survie est en jeu. Ils se défendent, vivent en un stress permanent et par des taux de tanins en permanence très élevés, ils finissent par empoisonner leurs agresseurs. Extrait de L. Guérin Page 10 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

11 3.2. Résister aux conditions du milieu La vie fixée représente un réel handicap vis à vis des conditions physico-chimiques du milieu : stress hydrique en été, froid en hiver, etc. Pour passer l hiver les plantes ont développé des cycles végétatifs différents : Les plantes annuelles réalisent leur cycle complet en une seule année : ces plantes sont toutes issues de graines produites les années précédentes et meurent en hiver après avoir créé une nouvelle génération de graines. Seules les graines subsistent en hiver. Les plantes bisannuelles mettent 2 ans pour réaliser leur cycle : la première année la plante croit à partir d'une graine et stocke des réserves dans ses racines (bulbe, rhizome). Elle passe l'hiver sous terre ou au ras du sol, les feuilles meurent. La deuxième année la plante fleurit et produit des graines puis, elle meurt. Les plantes vivaces vivent de nombreuses années avant de mourir : ces plantes restent vivantes l'hiver au niveau de leurs racines, tiges et bourgeons. De nouvelles pousses croient chaque année. Dans ce cas, le passage critique de l hiver est marqué par la perte des feuilles, la vie ralentie, l entrée en dormance des bourgeons. Pour résister à la déshydratation en été, les plantes ont développé diverses adaptations : Pb : comment les végétaux fixés peuvent-ils lutter efficacement contre la déshydratation? TP «boire ou manger, il faut choisir» Feuilles réduites à des épines (cactus) Feuilles coriaces, ou à pilosité limitant l évaporation Fermeture des stomates à midi L. Guérin Page 11 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

12 SCHEMA BILAN ADAPTATION DES PLANTES A LA VIE FIXEE, NUTRITION & DEFENSE Bourgeon Entrée CO 2 Fermeture stomate Stomate Sortie O 2 et H 2 O Feuille Bourgeon en dormance Epine Grande surface foliaire Fruit Double transport efficace ADAPTATION EN RELATION AVEC LES AGRESSIONS ADAPTATION EN RELATION AVEC LA NUTRITION Racine En bleu = circulation sève brute En rouge = circulation sève élaborée Poils absorbants eau + sels minéraux Grande surface racinaire L. Guérin Page 12 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

13 Chapitre B : brassage génétique et diversification des génomes Problèmes : Comment la reproduction sexuée assure-t-elle la stabilité de l espèce? Comment la reproduction sexuée assure-t-elle la diversité des individus dans l espèce? 1. Succession haploïde / diploïde au cours du cycle de la vie Que ce soit pour l espèce humaine ou pour la mouche drosophile, 2 phases se succèdent au cours de la vie : Diploïde : cellules à 2n chromosomes cad classés par paires (qu ils soient à 1 ou à 2 chromatides!) Haploïde : cellule à n chromosomes cad non classés par paires (qu ils soient à 1 ou à 2 chromatides!) Les cellules somatiques sont diploïdes, les cellules germinales cad les cellules reproductrices = gamètes sont haploïdes. Une espèce possède donc toujours le même nombre (n) de chromosomes caractéristique du caryotype. Chez l Homme n=23, c est à dire 23 paires de chromosomes homologues soit 46 chromosomes. 2 phénomènes majeurs permettent ces modifications : n 2n, c est la fécondation 2n n, c est la méiose 2. La méiose à ne pas confondre avec la mitose Elle se déroule uniquement dans les cellules germinales qui donnent naissance aux gamètes (spermatozoïdes et ovules) ; Aussi, pour voir des cellules en méiose, il faut observer des coupes de testicules ou d ovaire ou encore des étamines ou des pistils. Cas de la mitose Cas de la méiose (étape D à H) L. Guérin Page 13 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

14 Schéma bilan - déroulement de la méiose Une bonne animation flash sur la méiose : Un bon film sur la méiose : L. Guérin Page 14 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

15 Division cellulaire Mitose Méiose Points communs Précédé par une phase S Cellule de départ à 2n P, M, A, T Précédé par une phase S Cellule de départ à 2n P, M, A, T Différences 1 seule division 2 divisions successives sans réplication A la fin 2 cellules tjs 2n intermédiaire Identiques génétiquement A la fin 4 cellules n Séparation des Différentes génétiquement chromatides en anaphase Séparation des chromosomes homologues en anaphase I Tableau comparatif mitose et méiose 3. Grâce à la méiose et son brassage inter chromosomique, je suis unique! Pb : comment s opère le brassage génétique au cours de la méiose? TP brassage inter chromosomique chez la drosophile Chaque paire d homologues migre de façon aléatoire dans une des 2 cellules filles au cours de l anaphase I : c est le brassage inter chromosomique Avec 1 paire, il y a 2 possibilités Avec 2 paires, il y a 4 possibilités Avec 3 paires, il y a 8 possibilités : 2, puissance 3 Avec 23 paires, il y a possibilités : 2 puissance 23 ça en fait du monde! En réalisant un back cross entre un parent homozygote pour les 2 allèles récessifs et un parent hétérozygote, on voit apparaître 2 combinaisons phénotypiques qui n existaient pas chez les parents (= phénotypes recombinés) : la méiose fait du neuf. De plus les résultats du back cross seront du type 4 fois 25% des 2 phénotypes parentaux et des 2 phénotypes recombinés. Les 2 gènes sont dans ce cas indépendants cad non liés cad sur 2 paires d homologues différents. a1 a1 a3 a3 Génotype : c2 c2 c3 c3 a1 a3, c2 c3 Schéma de 2 gènes «A» et «C» non liés cad sur 2 paires de chromosomes homologues différentes L. Guérin Page 15 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

16 Pour aller plus loin dans les croisements de drosophiles : 4. Grâce à la méiose et son brassage intra chromosomique, je suis encore plus unique!! Pb : comment s opère le brassage génétique au cours de la méiose? TP brassage intra chromosomique chez la drosophile Au tout début de la méiose en prophase 1, les chromatides de 2 chromosomes homologues peuvent s entrelacer, se casser et échanger leur matériel : c est un crossing over. Le point d échange s appelle chiasma. Schéma d un crossing over Ainsi de nouvelles combinaisons d allèles qui n existaient pas chez les parents, apparaissent dans les gamètes : ce phénomène est qualifié de brassage intra chromosomique. En réalisant un back cross entre un parent homozygote pour les 2 allèles récessifs et un parent hétérozygote, on voit apparaître 2 combinaisons phénotypiques qui n existaient pas chez les parents (= phénotypes recombinés) : la méiose fait du neuf. De plus les résultats du back cross seront du type 2 fois les 2 phénotypes parentaux en majorité (exemple 2 fois 40%) et des 2 fois les phénotypes recombinés en minorité (exemple 2 fois 10%). Les 2 gènes sont dans ce cas liés cad sur 1 seule paire d homologues. Génotype : a1 a1 a3 a3 a1 c3 a3 c2 c3 c3 c2 c2 Schéma de 2 gènes «A» et «C» liés cad sur 1 même paire de chromosomes homologues L. Guérin Page 16 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

17 Carte génique de la drosophile Gène «Vestigial Wings» et «Black Body» sur les chromosomes II = gènes liés Gène «Vestigial Wings» et «Ebony Body» sur les chromosomes II et III = gènes non liés 5. Grâce à la fécondation je suis encore plus, plus unique. Je suis seul Parent 1 (A) (B) Parent 2 (A//A) (A//B) (A) [A] [AB] (A//B) (B//B) (B) [AB] [B] Echiquier de croisement entre 2 parents 1 & 2 Entre ( ) parenthèses = Entre [ ] crochets = les génotypes les phénotypes Dans cet exemple l allèle «A» et l allèle «B» sont co-dominants : le phénotype [AB] est nouveau, car les parents étaient [A] et [B] : la méiose fait du neuf, CQFD! L. Guérin Page 17 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

18 6. Les éléphants n ont pas le monopole : «même la méiose se trompe» La non séparation des homologues en anaphase I ou la non séparation des chromatides en anaphase II peut conduire à des gamètes anormaux qui possèdent 2 versions d un chromosome ou 0. Ce gamète sera alors responsable d une trisomie ou monosomie visible sur le caryotype (47 ou 45 chromosomes au lieu de 46). L. Guérin Page 18 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

19 Chapitre C : la diversification du vivant Problème : quels sont les mécanismes biologiques à l origine de la diversification du monde vivant?!!! Tous les mécanismes qui sont présentés dans ce chapitre permettent d expliquer la diversité des espèces du monde vivant. Cependant ils sont intervenus ponctuellement dans l histoire de la vie. Il ne faudrait surtout pas les assimiler ou les confondre avec les mécanismes plus classiques du brassage inter ou intra chromosomique qui s opèrent dans chaque méiose et qui permettent d expliquer la diversité des individus au sein d une même espèce!!! 1. Quelques mécanismes moléculaires de diversification du génome 1.1. Formation de nouveaux allèles La naissance de nouveaux allèles s explique par les mutations ponctuelles. Rappel de première S : les mutations sont très rares, spontanées et aléatoires! Le polyallélisme (= plusieurs versions alléliques d un même gène) s explique par des mutations germinales qui ont donc été transmises à la descendance. Exemple : les allèles ABO des groupes sanguins 1 délétion d une guanine (allèle O) 2 substitutions adénine et guanine (allèle B) Mutation entre les 3 allèles ABO du groupe sanguin, réalisé avec Anagène 1.2. Formation de nouveaux gènes = famille multigénique Schéma crossing over inégal conduisant à un chromosome comportant 2 exemplaires du même gène. Le zygote issu de ce gamète présentera donc un exemplaire supplémentaire de ce gène L. Guérin Page 19 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

20 Lors de la méiose, un crossing over inégal peut se produire, ce qui entraine la formation d une chromatide légèrement plus grande qui contient une version supplémentaire d un gène. Cet événement est également très rare. Les 2 copies du gène identiques au départ, vont ensuite «évoluer» : chacune va accumuler des mutations de manière indépendante. Le triptyque est donc toujours le même : Duplication (par crossing over inégal) Transposition Mutations Le gène dupliqué peut coder pour une protéine différente qui confère une nouvelle fonction. Ces gènes issus d un même gène ancestral sont issus d un même gène ancestral. On dit qu ils constituent une famille multigénique. Plus le % de ressemblance entre 2 gènes est élevé et plus la duplication est récente. Plus le % de ressemblance entre 2 gènes est faible et plus la duplication est ancienne. Exemple : la famille multigénique des opsines. Schéma bilan : la famille multigénique des pigments rétiniens Pour info!!! L. Guérin Page 20 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

21 1.3. Hybridation & polyploïdisation chez les végétaux Chez les végétaux il arrive que des individus d espèces différentes se croisent : les hybrides obtenus sont logiquement stériles car les chromosomes ne peuvent s apparier puisqu ils ne sont pas homologues. Accidentellement dans les cellules germinales, le nombre de chromosomes peut doubler par duplication. Cet événement très rare, permet alors au chromosome de s apparier ce qui rend la méiose possible à nouveau. C est le mécanisme de polyploïdisation qui semble répandue chez les végétaux (70 % des plantes à fleurs). Exemple : apparition d une nouvelle espèce de Spartine en Angleterre. 2n = 6 2n = 10 2n = 4 2n = 5!!! Schéma du mécanisme de polyploïdisation chez les plantes à connaitre 1.4. Le transfert horizontal de gènes Pb : les généticiens affirment de manière provocatrice : " Nous sommes 8% OGM et 1,25% humains». Sur quelles bases scientifiques, justifier cette phrase? TP transfert horizontal de gènes La reproduction sexuée explique le transfert vertical des gènes entre les parents et les descendants. Mais de manière surprenante, ce transfert peut s opérer à l horizontal entre des individus d espèces pourtant très éloignés. Ainsi le génome de nombreuses espèces s est-il enrichi de gènes nouveaux en provenance d autres espèces. Le gène de la syncytine, impliqué dans la mise en place du placenta chez l Homme, provient par exemple du génome d un virus : La fonction de ce gène, chez le virus, est de favoriser l ancrage du virus sur la cellule à infecter. La fonction de ce gène, chez l Homme, n est pas très éloignée puisqu elle permet l implantation de l embryon dans la paroi de l utérus, via le placenta. L. Guérin Page 21 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

22 Schéma bilan : les transferts horizontaux dans notre évolution ont été fréquents (Source Dunning Hotoppa, Julie C) pour info!!! Pour aller plus loin : L. Guérin Page 22 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

23 2. Diversification des êtres vivants liée aux variations de l expression du génome Les différences morphologiques entre des espèces ne résultent pas obligatoirement de différences du génome. Ainsi chez les pinsons, les différences observées au niveau de la puissance du bec sont seulement liées à la durée et à l intensité de l expression d un même gène du développement : le gène Bmp4. Relation entre la taille du bec et l expression du même gène Bmp4 Chez les différentes espèces de pinsons, les becs de grande taille ont été corrélés à une expression forte et précoce du facteur BMP4 (en bleu) dans le mésenchyme présomptif du bec (en gris), durant le développement. L. Guérin Page 23 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

24 3. Diversification des êtres vivants SANS modification du génome 3.1. Les symbioses Pb : le lichen peut-il être vraiment considéré comme un végétal à part entière? TP symbiose Hyphes = cellules allongées du champignon Algue verte unicellulaire Observation microscopique, X1000, sans colorant, broyat de lichens (merci Axel) Schéma d interprétation d une coupe de lichens (Selosse) pour info Schéma bilan de la symbiose chez le lichen (champignon / algue) à connaitre L. Guérin Page 24 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

25 Pb : Le trèfle, contrairement à la plupart des plantes, est capable de prélever l azote atmosphérique (N 2 ) pour fabriquer ses acides aminés & protéines ; comment fait-il? TP symbiose Observation à la loupe de nodosité sur racine de trèfle Observation microscopique d une nodosité de trèfle écrasée, X400 coloration bleu de méthylène (merci Mathilde) Schéma bilan de la symbiose chez le trèfle / rhizobium pour info!!! En vert = apport par le trèfle ; en bleu = apport par le rhizobium L. Guérin Page 25 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

26 Ce second exemple de symbiose est légèrement plus complexe : Le trèfle, doué de photosynthèse apporte à son hôte, du sucre sous la forme de saccharose. La bactérie rhizobium, utilise ce saccharose comme source d énergie. En effet, le rhizobium produit une enzyme la nitrogénase qui est tout simplement capable de transformer l azote de l air (N 2 ) en azote (NH 4 ) que l on retrouve dans la fonction amine des acides aminés (ici glutamine). L énergie est justement fournie par le catabolisme oxydatif du saccharose. Les symbioses représentent une autre façon de diversifier le monde vivant. Dans une symbiose, deux individus d espèces différentes vivent en étroite collaboration. Le phénotype de chaque individu en symbiose est très différent de s ils étaient seuls. Dans une symbiose, chacun des 2 individus tire profil de son partenaire. A une autre échelle de temps, on peut extrapoler et parler de la théorie endosymbiotique pour expliquer l origine d un organite comme la mitochondrie. Elle proviendrait de l absorption d une bactérie par une cellule eucaryote primitive il y a 2 Ga. On comprend mieux alors la présence de gènes dans la mitochondrie qui seraient les reliques de la bactérie absorbée ainsi que la double membrane! Idem pour le chloroplaste. Schéma de théorie endosymbiotique de la mitochondrie (Jussieu) 2 = phagocytose de la bactérie en bleu par une cellule eucaryote 3.2. Acquisition de nouveaux comportements Un exemple à connaître : chant des oiseaux Chez beaucoup d espèces animales, des comportements nouveaux se transmettent entre générations d une même population. Ceci est permis par l apprentissage et l imitation c est à dire dans sans modification du génome. L. Guérin Page 26 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

27 Chapitre D : de la diversification des êtres vivants A l évolution de la biodiversité Problème : comment apparaissent et disparaissent les espèces? 1. L espèce n a pas été découverte, elle a été inventée! Pb : sur quels critères définir la notion d espèce? Belin page «Dieu a créé, Linné a classé» «Systema Naturæ» est un ouvrage majeur de Linné en La grande diversité du vivant est en partie décrite comme une diversité d espèces. Au cours de l histoire sa définition n a pas cessé de changer : Pour aller plus loin : article Le Guyader «doit-on abandonner le concept d espèce?» + conférence «pluricellulaire». Définition typologique de l espèce = c est le critère de ressemblance : un individu appartient à une espèce s il ressemble à l individu type de l espèce conservé dans un musée. Définition biologique de l espèce = c est le critère d interfécondité : 2 individus sont de la même espèce s ils peuvent avoir une descendance fertile. Aujourd'hui les scientifiques s accordent plutôt à dire qu il s agit d une population d individus suffisamment isolés génétiquement des autres populations. 2. Modification des populations au cours du temps Pb : comment la diversité allélique des populations évolue-t-elle au cours du temps? Source : Au sein d une espèce, les populations se distinguent les unes des autres parce que les individus ne présentent pas les mêmes combinaisons d allèles pour chaque gène étudié. Afin de comprendre l histoire d une population il est nécessaire de comprendre 2 mécanismes fondamentaux : La dérive génétique : phénomène aboutissant à la variation des fréquences alléliques dans une population sous l effet du seul hasard. L. Guérin Page 27 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

28 Les 10 modélisations permettent de constater que : La fréquence de l allèle étudié ne reste par constante au cours du temps. Dans certains cas elle augmente, jusqu à 90% dans le modèle violet. Dans certains cas elle diminue, jusqu à 20% dans le modèle rouge. Modélisation de la dérive génétique Conclusion : si un allèle n apporte ni avantage, ni désavantage à l individu qui le porte, alors cet allèle ne sera pas soumis à la sélection naturelle et sa fréquence dans la population pourra évoluer de manière aléatoire suivant l effet du hasard. En abscisse est représenté le nombre de génération depuis l apparition des différents allèles. En ordonnée se trouve la fréquence d un des allèles du gène étudié. Ce graphique représente 10 exemples d évolution des fréquences alléliques au cours des générations (représentés par les 10 courbes de couleurs différentes). Ces courbes ont été obtenues par simulation informatique à partir d une valeur initiale de 0,5 pour l allèle considéré. Source : La sélection naturelle : phénomène aboutissant à la survie préférentielle de certains individus d une population et qui donc laissent plus de descendants. Elle est conditionnée par certains facteurs de l environnement comme la température, la quantité de nourriture, etc. Ce sont donc bien les populations qui évoluent et non pas les espèces. Hasard de la dérive génétique et sélection naturelle avancent main dans la main et contribuent ainsi à la diversité génétique des populations au cours du temps. L. Guérin Page 28 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

29 Schéma bilan de la spéciation et notion d espèce - Belin page 65 L. Guérin Page 29 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

30 3. Phénomène de spéciation Pb : comment se forment de nouvelles espèces? TP spéciation Quand 2 populations d une même espèce se retrouvent isolées par une barrière géographique (montagne, rivière, vallée, route) ou comportementale, elles vont alors évoluer de manière indépendante selon le modèle de l anneau de spéciation : elles accumulent des différences génétiques. Après de très nombreuses générations, les différences sont tellement fortes que 2 individus de ces 2 populations ne peuvent plus se reproduire pour avoir une descendance fiable : c est la spéciation qui a donné naissance à 2 espèces. L isolement reproducteur a empêché la circulation des allèles qui s opère naturellement pendant la reproduction sexuée. Schéma bilan : 2 exemples de spéciation (à gauche par séparation, à droite par migration) Pour aller plus loin : L. Guérin Page 30 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

31 Chapitre E : un regard sur l évolution de l homme Problème : quelles sont les grandes lignes de l histoire évolutive de l Homme? 1. Tous les TS sont des primates moi aussi Il existe aujourd hui 185 espèces de primates. Ce sont des mammifères arboricoles vivant principalement dans les forêts subtropicales. Seule l espèce humaine s observe sur toute la surface du globe. Les primates sont apparus il y a environ - 65 Ma. Tous les primates partagent les innovations évolutives suivantes : 1 pouce opposable Les ongles ont remplacé les griffes Une bonne vision stéréoscopique en 3D Ces caractéristiques confèrent aux primates une aptitude à la vie arboricole et au déplacement difficile dans les arbres : ils ne s accrochent pas comme les chats mais ils s agrippent! Pour aller plus loin : fprim.htm << Grande diversité de locomotion des primates Rappels de seconde : Dans la «nouvelle» classification phylogénétique, les biologistes regroupent les espèces sous prétexte qu elles partagent une innovation évolutive héritée d un ancêtre commun. Toutes les espèces qui partagent l innovation évolutive constituent un groupe, appelé clade, qui ont une étroite parenté puisque descendant d un même ancêtre commun. L. Guérin Page 31 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

32 Pb : quelles sont les relations de parenté de l Homme avec les autres primates? TP phylogénie des primates Phylogénie de quelques primates (avec Phylogène) Signification des innovations évolutives : Disparition de la queue Narines rapprochées Orbites fermées Nez Pouces opposable & ongles Nom des clades : Primates / Haplorrhiniens / Simiiformes / Catarrhiniens / Hominoïdes Parmi les 185 primates, les biologistes ont regroupé l Homme, le Chimpanzé, le Bonobo, le Gorille, l Orang-outang et le Gibbon dans le clade des Hominoïdes. Ils ont tous hérité d un ancêtre commun l innovation évolutive suivante : absence de queue. L. Guérin Page 32 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

33 2. L Homme ne descend pas du singe («ceux qui le disent n ont pas trouvé l escalier» P Picq) Il ne vous viendrait pas à l idée de dire que «le singe descend de l Homme». C est donc également totalement déplacé d affirmer que «l Homme descend du singe». Mais notre vision profondément anthropocentrique véhicule encore ces clichés erronés. Ce qu il faut retenir, c est que parmi tous les primates, ce sont les chimpanzés qui sont les plus proches de l espèce humaine. L Homme et le Chimpanzé partagent donc un ancêtre commun, daté d environ -7 à -6 Ma (= millions d années), qui leur a transmis un certain nombre de caractéristiques communes. Nous sommes cousins. L Homme ne descend pas du Singe L Homme n est pas le sommet de l Evolution (Ernst HAECKEL en 1874) L. Guérin Page 33 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

34 2.1. Les données chromosomiques Les caryotypes de l Homme et du Chimpanzé sont très proches : 23 paires chez l Homme et 24 chez le Chimpanzé. En effet chez le Chimpanzé, les chromosomes 2a et 2b ne font qu un chez l Homme. Certains chromosomes sont identiques et beaucoup d autres ne présentent que des modifications mineures du type inversion. Pour connaître les caryotypes de ces espèces : Les données génétiques On trouve beaucoup de chiffres différents quand il s agit de comparer les génomes de l Homme et du Chimpanzé car les méthodes utilisées différent. Globalement il faut retenir que le taux de similitude de nucléotides est voisin de 98.5 %. Attention, cette valeur qui peut paraître très faible doit tenir compte du nombre de nucléotides : 3,2 milliards de paires de nucléotides chez l Homme! Cela représente tout de même 35 millions de mutations ponctuelles et 5 millions d insertions ou délétions. Pour aller plus loin : mais.html Dernier ancêtre commun à l Homme, chimpanzé, bonobo Dernier ancêtre commun à l Homme, chimpanzé, bonobo, gorille Matrice de différences des acides aminés (en valeur absolue) et arbre correspondant obtenu par comparaison du de la protéine codée par le gène COX2 ; Phylogène Ces données démontrent sans ambiguïté que le chimpanzé est plus proche de l Homme que du gorille! L. Guérin Page 34 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

35 3. L utopie du «gène candidat» de l Homme Conférence Michel Morange à l UTLS «l Homme et le Singe» : Le gène FOXP2, surnommé gène du langage, a été propulsé dans les années 2000 comme le gène ayant conduit à l être humain. Les généticiens recherchaient alors des gènes candidats pouvant expliquer la spécificité humaine. Le «gène candidat» devait présenter les caractéristiques suivantes : Posséder un bon profil d expression, c est à dire s exprimer dans les régions du cerveau spécifiques de l Homme à savoir les lobes préfrontaux Présenter des mutations entre l Homme et les Singes Subir une pression sélective positive, c est à dire conférer un avantage La mutation devait révéler l importance fonctionnelle de la protéine Aujourd hui, les généticiens savent que ce n est pas le gène FOXP2 seul qui a permis l apparition du langage et donc la spécificité humaine. Les généticiens pensent plutôt que c est la chronologie et l intensité de l expression des gènes qui expliquent les différences Homme et Chimpanzé et à fortiori les autres primates. Le phénotype humain, comme celui des grands singes proches, s acquiert au cours du développement pré et postnatal, sous l effet de l interaction entre l expression de l information génétique et l environnement (dont la relation avec l individu). L. Guérin Page 35 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

36 4. La ruée vers l os ne fait que commencer : la définition du genre Homo Pas facile aujourd hui, quand on découvre un fossile, de le classer dans la phylogénie des primates. Sur quels critères les paléoanthropologues définissent-ils la lignée humaine? Critère 1 : importance du volume crânien accompagné d une réduction du prognathisme. Critère 2 : un bon bipède. L avancée du trou occipital, 4 courbures vertébrales, bassin haut et étroit, fémur incliné sont autant d indices d une bonne bipédie. Critère 3 : modification de la mâchoire et de la dentition : mâchoire en forme de V, réduction des canines au format des incisives. NB : des traces d activités culturelles associées à un fossile peuvent aussi être un indicateur de la lignée humaine (outil taillé, rite funéraire, peinture rupestre) bien que de très nombreux contreexemples sont aujourd hui observés dans le règne animale (utilisation d outils chez les chimpanzés). Pb : quels sont les autres grands primates et quelles sont les relations de parenté avec l Homme? Voir TP craniométrie Face Forme de la mandibule Chimpanzé Mâchoire inférieure avancée = prognathisme Genre : Australopithecus Mâchoire inférieure avancée = prognathisme Genre : Homo Face plate =Pas de prognathisme En U Intermédiaire En V Volume cérébral Voisin de 400 cm3 Inférieur à 600 cm3 Supérieur à 600 cm3 Bassin Haut et étroit Court et évasé Court et évasé Trou occipital Reculé Avancé Avancé Orientation du fémur Droit Incliné Incliné Taille relative des membres sup et inf Membres sup plus longs que membres inf Membres inf de même taille que membres sup Membres inf plus longs que membres sup Bipédie Non Très imparfaite oui L. Guérin Page 36 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

37 Vue latérale d un crâne Homo sapiens (gauche) et chimpanzé (droite) L. Guérin Page 37 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

38 Guide critique de l évolution, Lecointre, Belin L. Guérin Page 38 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

39 Pour aller plus loin, grotte Chauvet : Pour aller plus loin, découverte des crânes : Quelques repères chronologiques et géographiques : Les Australopithèques sont connus depuis -4.5 Ma uniquement en Afrique : la plus célèbre Lucy (Australopithecus afarensis) découverte par Yves Coppens en 1974 l année du tube du même nom des Beatles. Les Australopithèques sont déjà de bons bipèdes malgré leur volume crânien réduit, aussi les classe-t-on dans la lignée humaine. Depuis - 2,5 Ma, toujours en Afrique, les plus vieux représentants du genre Homo : Homo habilis. Ils sont bons bipèdes et leur capacité crânienne a fortement augmenté (> 600 cm3). Vers -1,8 Ma, apparition de Homo erectus (+/- synonyme d Homo ergaster) initialement en Afrique mais cette espèce migre et on la retrouve au Proche Orient et en Eurasie. Très bon bipède, un volume crânien proche de 900 cm3, maitrise du feu (pas encore d IPhone 5 ). Une branche isolée en Europe évoluera en Homo neanderthalensis qui s éteint vers ans. Vers ans toujours en Afrique, une nouvelle espèce : les Homo sapiens c est à dire nous. On la retrouve vers ans les plus vieux Homo sapiens en Europe (= Cro- Magnon). La situation actuelle est tout à fait singulière puisqu il n y a plus qu une seule espèce représentée sur la Terre, à savoir Homo sapiens. Mais il y a ans, plusieurs espèces coexistaient : Homo sapiens, Homo neandertalensis, Homo florensis L histoire de la lignée humaine, n est pas linéaire mais buissonnante. On connaît très mal les relations de parenté entre ces quelques fossiles. Le scénario est très incomplet et continuera de progresser dans les prochaines années avec la découverte et l interprétation des nouveaux fossiles. La ruée vers l os ne fait que commencer! L. Guérin Page 39 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

40 Arbre buissonnant de la lignée humaine pour info L. Guérin Page 40 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

41 Cours TS année Chapitre F : la réponse innée = réaction inflammatoire aiguë Problème : quelles sont les réactions qui suivent immédiatement l intrusion d un microbe? Face au monde microbien dans lequel nous vivons, notre organisme a su développer des barrières naturelles permettant de limiter l entrée des microbes : muqueuses protectrices, acidité gastrique, lysozyme des larmes, flore bactérienne commensale (= non pathogène) limitant le développement des microbes pathogènes. Mais il arrive parfois que ces barrières soient franchies, une réponse immunitaire va alors se déclencher rapidement. > Des centaines de bactéries sur cette aiguille, un risque potentiel en cas de piqure! 1. Système immunitaire = organes + cellules + molécules Organes du système lymphatique : Thymus + ganglions lymphatiques + vaisseaux lymphatiques + rate. La lymphe (= sang blanc) circule dans le système lymphatique. Détail de la moelle rouge des os : C est le lieu de formation des cellules sanguines : globule blanc = leucocyte + globule rouge = hématie + plaquette Organes et cellules de notre système immunitaire L. Guérin Page 41 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

42 Libération d histamine par un globule blanc pour info L histamine est une molécule du système immunitaire. Chez les personnes allergiques sa libération exagérée, par certains leucocytes, est responsable des symptômes de l allergie (éternuements, yeux rouges, etc.) Pb : quelles sont les cellules sanguines du système immunitaire? TP frottis sanguin Leucocytes Microphotographie Diamètre moyen Rôles principaux Cellule dendritique dans les tissus Nombreux prolongements cytoplasmiques. Taille variable Phagocytose. Sécrétion de médiateurs chimiques de l inflammation. Granulocyte = polynucléaire dans le sang et lymphe Noyau lobé. 12 à 14 µm Phagocytose. Sécrétion de médiateurs chimiques de l inflammation. Lymphocyte dans le sang et lymphe 7 à 9 µm Noyau occupant tout le cytoplasme. Réponse immunitaire adaptative : production anticorps, destruction de cellules infectées Macrophage dans les tissus 30 à 60 µm Issus des monocytes du sang. Phagocytose. Sécrétion de médiateurs chimiques de l inflammation. L. Guérin Page 42 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

43 Mastocyte dans les tissus Granules nombreux dans le cytoplasme. 8 à 20 µm Sécrétion d histamine et de prostaglandines. Monocyte dans le sang et lymphe Noyau en forme de M et cytoplasme bleuté. 20 µm Phagocytose. Sécrétion de médiateurs chimiques de l inflammation Quelques leucocytes à connaître. L. Guérin Page 43 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

44 2. Le quatre «eur» de la réaction inflammatoire aigüe Nous possédons tous un système immunitaire chargé d éliminer : Les micro-organismes responsables de maladies infectieuses o les bactéries comme Escherichia coli o les virus comme le VIH o les champignons comme la mycose à Candida albicans o les protozoaires comme l agent du paludisme Les cellules cancéreuses Les cellules greffées L immunité innée intervient en moins de 24 heures pour combattre ces agressions variées. Elle ne nécessite aucun apprentissage, tout le monde l exprime à la naissance. La réaction inflammatoire aiguë est l une des manifestations de l immunité innée. Elle se caractérise par : Tumeur = gonflement Rougeur Chaleur Douleur En effet, tous ces symptômes sont la conséquence de la sortie du sang depuis les vaisseaux sanguins sur le site de la réponse. Pour information : La douleur s explique par la libération de prostaglandines par les tissus lésés. La tumeur, la rougeur, la chaleur s expliquent par la libération d histamine par les mastocytes. L. Guérin Page 44 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

45 3. Le déroulement de la réponse inflammatoire aiguë 3.1. La reconnaissance des micro-organismes par les cellules sentinelles Il existe dans nos tissus des cellules sentinelles qui veillent aux agressions. Ces cellules expriment toutes des récepteurs PRR (= Pattern Recognition Receptors) qui repèrent des molécules largement répandues dans le monde des bactéries, des champignons, des protozoaires, des virus, des cellules lésées Trois exemples de cellules sentinelles : les cellules dendritiques des tissus, ce sont des cellules aux longs prolongements cytoplasmiques mobiles. les macrophages des tissus, provenant de la transformation des monocytes du sang. les mastocytes des tissus La sécrétion de médiateurs chimiques de l inflammation La détection d une agression par les cellules sentinelles entraîne leurs sécrétions de médiateurs chimiques de l inflammation responsables de : La vasodilatation des vaisseaux sanguins liée à l histamine libérée plus particulièrement par les mastocytes. L adhésion des granulocytes du sang à la paroi des capillaires liée à la sécrétion de TNF par les mastocytes (ce qui stimule la production de sélectine par l épithélium capillaire, molécule dite d adhésion). L afflux des granulocytes du sang vers le site de l infection lié aux chimiokines. En parallèle, les tissus lésés libèrent des prostaglandines qui stimulent les récepteurs à la douleur dans les tissus Les phagocytes sont à l organisme, ce que les camions verts sont à la ville de Paris L. Guérin Page 45 sur 97 Ecole Jeannine Manuel

46 Schéma de la phagocytose A connaitre Les granulocytes et les macrophages sont des phagocytes qui vont éliminer les agents infectieux qui ont déclenché la réaction inflammatoire aigüe. Les étapes de la phagocytose sont : Adhésion (sur le schéma n 1) Vacuole de phagocytose ou phagosome (n 2) Fusion des lysosomes, contenant des enzymes lytiques, au phagosome Digestion moléculaire (n 3) Exocytose ou recyclage (n 4) Si l infection persiste malgré la phagocytose, les cellules dendritiques vont quitter le lieu de l infection pour rejoindre les ganglions lymphatiques. Une nouvelle réponse immunitaire appelée réponse immunitaire adaptative sera alors lancée (voir chapitre suivant). Dans ce cas, les cellules sentinelles vont devenir des cellules présentatrice d antigènes en exposant à leur surface membranaire des morceaux de protéine digérées associées aux molécules du CMH. Photographie au MEB (X?) ; en bleu la cellule dendritique ; en jaune un lymphocyte L. Guérin Page 46 sur 97 Ecole Jeannine Manuel