Thème 1 : La Terre dans l Univers, la vie et l évolution du vivant : une planète habitée

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1 Thème 1 : La Terre dans l Univers, la vie et l évolution du vivant : une planète habitée Chapitre 1 : Les conditions de la vie : une particularité de la Terre? I. La Terre, une planète rocheuse du système solaire Voir activités 1 et 2 du problème 1 Le système solaire comprend une étoile, le Soleil, et de nombreux objets (Planètes, astéroïdes, satellites, comètes) aux caractéristiques très différentes. Avec ses voisines Mercure, Vénus et Mars, la Terre est une planète rocheuse. Quatre planètes gazeuses géantes (Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune) sont beaucoup plus éloignées du Soleil. Remarque : Le 24 août 2006, l Union Astronomique Internationale a voté une nouvelle classification des planètes du Système Solaire. Ainsi certains corps de petite taille, tels que Pluton, Eris et Cérès sont intégrées dans un nouveau groupe dit «planètes naines». D autres corps devraient rejoindre ce groupe prochainement. - unité astronomique (U.A.) : unité de distance équivalent à la distance Terre-Soleil. Elle représente environ km. - planète : corps céleste, non lumineux par lui-même, de forme sphérique, qui gravite autour d une étoile. - planète tellurique (ou planète interne) : planète solide constituée de silicates et de fer assemblés en roche (Mercure, Vénus, Terre, Mars) ; - planète gazeuse (= planète géante = planète externe) : planète de grande taille formée essentiellement de gaz (Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune) ; - de définir les termes : unité astronomique ; planète ; planète tellurique ; planète gazeuse - de comparer les caractéristiques des planètes à l'aide d'un raisonnement mathématique et d'un tableur informatique II. Les singularités de la Terre L atmosphère de la Terre est épaisse et sa composition est originale par rapport à celles des autres planètes rocheuses voisines : elle est riche en diazote, dioxygène, eau et relativement pauvre en dioxyde de carbone. La présence de cette atmosphère est liée à la masse de la Terre (en effet, la Terre a une masse suffisante pour retenir les éléments légers qui composent l atmosphère) et à sa distance au Soleil. Cette distance au Soleil et la présence de l atmosphère déterminent également une pression et une température moyenne au sol particulière à notre planète. Les conditions physico-chimiques qui règnent sur Terre permettent l existence d eau liquide. Cette dernière est indispensable au développement de la vie. - atmosphère : enveloppe externe et fluide d une planète ou d un satellite dont les composés sont pour l essentiel à l état gazeux. - d indiquer les conditions particulières de la Terre qui permettent le développement de la vie - de construire un graphique pour représenter des données scientifiques - d'exploiter de façon méthodique des modèles analogiques pour comprendre la température en surface d'une planète 1 / 8

2 III. Planète habitée, planète habitable La vie implique la présence d eau liquide. Les scientifiques découvrent actuellement, en dehors du système solaire, de nombreuses exoplanètes gravitant autour de leur étoile. Autour de chaque étoile on définit une zone d habitabilité. Une planète située dans une telle zone et possédant une masse appropriée pourrait donc réunir les conditions nécessaires et héberger des formes de vie. Cependant, aucune trace de vie n a été découverte à ce jour en dehors de la Terre. - zone d habitabilité : zone autour d une étoile dans laquelle une planète possédant une atmosphère aurait des conditions physico-chimiques favorables à la présence de vie - de définir le terme : zone d habitabilité 2 / 8

3 Chapitre 2 : La nature du vivant I. La composition chimique des êtres vivants voir activités 4 à 6 du problème 2 : Quelles sont les particularités de la composition chimique des êtres vivants? Comme la matière inerte (=matière du monde minéral), la matière des êtres vivants est constituée d éléments chimiques disponibles sur Terre. Cependant la matière des êtres vivants se distingue de la matière minérale par sa richesse relative en quelques éléments chimiques principaux : carbone, hydrogène, oxygène, azote. La matière minérale du globe terrestre est constituée essentiellement par des atomes de fer, d oxygène, de silicium et de magnésium, calcium. L eau est la molécule la plus abondante chez les êtres vivants. Les autres molécules se répartissent principalement dans les trois catégories suivantes : glucides, lipides, protides. Ces trois groupes de molécules ont un squelette d atomes de carbone liés à d autres atomes, c est pourquoi on les appelle molécules «organiques» ou «carbonées». Les éléments chimiques constituant la matière organique sont les mêmes chez tous les êtres vivants. On observe donc une unité chimique des êtres vivants. Cette unité chimique est un indice de la parenté des êtres vivants. - matière organique : matière élaborée par les êtres vivants et constituée au moins de carbone, d hydrogène et oxygène - de définir le terme : matière organique ; - d indiquer la nature chimique des êtres vivants ; - utiliser les résultats expérimentaux des tests de mise en évidence des molécules organiques - de démontrer l unité du vivant au niveau de sa composition chimique II. Les caractéristiques communes des cellules Voir activités 7 à 9 du problème 3 A. Le métabolisme cellulaire et son contrôle Tous les êtres vivants sont constitués d une ou plusieurs cellules. Pour produire de l énergie et de la matière dont elles ont besoin, les cellules prélèvent dans leur milieu des molécules qu elles vont convertir. Ainsi de nombreuses transformations chimiques se déroulent en permanence. Elles constituent le métabolisme. (exemples de réactions métaboliques étudiées: la fermentation alcoolique; la respiration cellulaire; la photosynthèse) Les transformations du métabolisme s accompagnent d échanges gazeux avec le milieu extra-cellulaire impliquant le plus souvent du dioxyde de carbone et du dioxygène. Le métabolisme des cellules est contrôlé par le patrimoine génétique : certaines mutations sont à l origine de modifications du fonctionnement des cellules. Le métabolisme des cellules est également influencé par les conditions du milieu dans lequel vivent les cellules, c est-à-dire les facteurs de l environnement cellulaire. Le métabolisme a lieu dans toutes les cellules du monde vivant. La cellule est donc une unité fonctionnelle commune à tous les êtres vivants. - métabolisme : ensemble des transformations chimiques se déroulant à l intérieur d une cellule - mutation : modification de l information génétique inscrite sur un gène (la définition sera complétée dans le III) - de définir le terme : métabolisme ; - d'utiliser une démarche expérimentale pour mettre en évidence les métabolismes cellulaires - d'exploiter des résultats expérimentaux - d indiquer les mécanismes de contrôle du métabolisme cellulaire 3 / 8

4 B. Une structure cellulaire favorable (facilitant le) au métabolisme Toutes les cellules sont délimitées par une membrane plasmique, frontière entre leur cytoplasme et le milieu extra-cellulaire. Elles possèdent un ou plusieurs chromosomes qui renferment l information génétique. La cellule est une unité structurale commune à tous les êtres vivants. La membrane plasmique joue un rôle clé dans les échanges de matière liés au métabolisme. Les cellules des végétaux, des animaux, des champignons possèdent des compartiments délimités par une ou plusieurs membranes : les organites. Ces cellules sont dites eucaryotes. Les organites ont des fonctions variées. Les mitochondries, présentes chez tous les eucaryotes, jouent un rôle fondamental dans le métabolisme de la respiration cellulaire. Les chloroplastes, présents chez les cellules chlorophylliennes, jouent un rôle essentiel dans le métabolisme de la photosynthèse. Les cellules eucaryotes possèdent également un noyau contenant les chromosomes. Les cellules qui n ont pas de noyau délimité et ne sont pas compartimentées sont dites procaryotes. C est le cas des bactéries. - cellule eucaryote : cellule possédant un noyau délimité par une enveloppe et des organites cytoplasmiques ; - cellule procaryote : cellule ne possédant pas de noyau délimité ni organites cytoplasmiques ; - organite cellulaire : compartiment cytoplasmique délimité par une membrane ou enveloppe et jouant un rôle dans le fonctionnement cellulaire. - de définir le terme : cellule eucaryote ; cellule procaryote ; organite cellulaire ; - de réaliser une observation à l'aide du microscope optique - d expliquer en quoi la structure cellulaire est favorable aux métabolismes ; - de décrire la structure et l ultrastructure des cellules. C. La cellule et l unité du vivant Les caractères communs aux cellules de tous les êtres vivants sont des indices de leur parenté. Ils partagent de très lointains ancêtres qui leur ont légué ces caractères communs. 4 / 8

5 III. L ADN, molécule universelle et variable voir activités 13 et 14 du problème 4 La transgenèse est une technique qui consiste à transférer un gène d une espèce à une autre. Elle a pour objectif de donner à cet organisme génétiquement modifié un nouveau caractère jugé intéressant. Cette technique permet de démontrer que l information génétique contenue dans l ADN est inscrite dans un langage commun à tous les êtres vivants : elle est universelle. L universalité du rôle de l ADN est un indice de la parenté des êtres vivants. L ADN est une molécule constituée de deux brins parallèles enroulés en double hélice. Chaque brin d ADN est composé d un long enchaînement de nucléotides. Chaque nucléotide est constitué par l assemblage de l acide phosphorique, de désoxyribose (un «sucre») et d une base azotée parmi 4 possibles : adénine (A), guanine (G), thymine (T), cytosine (C). Une base azotée ne peut s unir qu à une seule des trois bases ; il existe donc «2 couples de bases» seulement : A T et C G. On dit que les bases sont complémentaires deux à deux. La succession des nucléotides sur un brin d ADN constitue une séquence nucléotidique. L universalité de la structure de l ADN est un indice de la parenté entre les êtres vivants. - transgenèse : voir résumé ci-dessus ; - ADN : acide désoxyribonucléique ; - nucléotide : élément constitutif de la molécule d ADN ; - de définir les termes : transgenèse ; ADN ; nucléotide ; - d indiquer la structure et la fonction de la molécule d ADN ; - d exploiter des résultats expérimentaux de transgenèse - de montrer que la molécule d ADN est une molécule universelle voir activités 15 à 17 du problème 5 Au sein d un gène, c est la séquence nucléotidique qui constitue l information génétique sous forme codée. Un même gène peut exister sous différentes versions : ce sont les allèles. Les différents allèles se sont formés à partir de mutations. Les quelques différences constatées entre allèles ont pour origine des processus aléatoires qui modifient la séquence de l ADN : les mutations. - gène : unité d information génétique inscrite dans la molécule d ADN qui dirige l expression d un caractère ; - allèle : une des variations possibles d un gène ; - mutation : processus aléatoire (parfois provoqué) qui modifie la séquence nucléotidique de la molécule d ADN - de définir les termes : gène ; allèle ; mutation - de montrer que la molécule d ADN est une molécule universelle et variable 5 / 8

6 Chapitre 3 : La biodiversité, résultat et étape de l évolution I. Biodiversité actuelle et biodiversité passée voir activités 18 à 20 du problème 6 Le terme biodiversité est la contraction de l expression «diversité biologique». La biodiversité reflète le nombre et la diversité des organismes vivants, ainsi que leur évolution au cours du temps et d un endroit à l autre. La biodiversité se définit à trois niveaux : elle recouvre la diversité génétique au sein d une même espèce, la diversité des espèces (= biodiversité spécifique) et la diversité des écosystèmes. Divers indicateurs écologiques, comme l évaluation du nombre d individus et d espèces dans un milieu donné, sont utilisés pour quantifier la biodiversité. La diversité génétique est révélée par la diversité des allèles pour un gène donné. Au cours des temps géologiques, les espèces peuplant les différents écosystèmes terrestres ont changé : des espèces sont apparues, d autres ont disparu. Les espèces actuelles ne représentent qu une infime proportion de l ensemble des espèces qui a existé depuis l apparition de la vie : la plupart de ces espèces a aujourd hui disparu. La biodiversité actuelle est seulement une étape de l histoire du monde vivant. Les variations de l environnement sont une des principales causes de modification de la biodiversité au cours du temps (ex : changements climatiques ). La biodiversité actuelle est donc le résultat et une étape des processus de l évolution des êtres vivants. Presque tous les écosystèmes sur Terre ont été transformés de façon considérable suite aux activités humaines. Actuellement, «l érosion» de la biodiversité et les changements dans l environnement qui y sont liés sont plus rapides qu à aucune autre période de l histoire humaine et rien n indique que ce processus soit en train de ralentir. De nombreuses populations animales, végétales et microscopiques sont en déclin, que ce soit en termes de nombre d individus, d étendue géographique, ou les deux. La disparition des espèces fait partie du cours naturel de l histoire de la vie sur Terre. Cependant, l activité humaine a accéléré le rythme d extinction. Quelques actions de sauvegarde sont menées à l initiative d organismes nationaux et internationaux. - biodiversité : voir résumé ; - écosystème : désigne l'ensemble formé par une communauté d'êtres vivants et son milieu dans lequel ces êtres vivants se déploient ; - évolution : processus complexe à l origine de l émergence de nouvelles espèces et participant aux modifications de la biodiversité - de définir les termes : biodiversité ; écosystème ; évolution - d indiquer les différents niveaux d expression de la biodiversité - de mettre en évidence les variations de la biodiversité au cours du temps - d'identifier les causes des variations de la biodiversité à partir de documents - de montrer l impact de l activité humaine sur la biodiversité 6 / 8

7 II. Diversité et parenté au sein du groupe des vertébrés voir activités 22 à 25 du problème 7 Les vertébrés présentent une organisation générale commune. Leurs organes sont disposés de façon ordonnée suivant deux axes de polarité : l axe de polarité antéro-postérieure, l axe de polarité dorsoventrale. Ces deux axes de polarité définissent un plan de symétrie bilatérale qui sépare la moitié droite et la moitié gauche de l organisme. Exemples : disposition du système nerveux et de l appareil digestif : 1. Le système nerveux : Le système neveux des vertébrés est situé en position dorsale. Il est constitué : d une partie antérieure élargie en forme de renflement, le cerveau ou encéphale ; en arrière un tube neural qui forme la moelle épinière ; de chaque côté, des nerfs spinaux reliés à la moelle. Si on compare les encéphales des différents groupes on constate une organisation commune. 2. L appareil digestif : Il débute ventralement et en avant par la bouche au niveau de la tête. Il se poursuit par un tube, l œsophage. Il débouche dans un réservoir, l estomac. Il se prolonge dans la région postérieure du tronc par un nouveau tube, l intestin. Il se termine par un orifice postérieur, l anus. Tous les vertébrés présentent un squelette interne organisé sur le même plan. Il comprend un crâne et une colonne vertébrale formée d unités similaires : les vertèbres. Les membres sont soutenus par le squelette et reliés à des ceintures osseuses : les membres antérieurs sont reliés à la ceinture scapulaire, les membres postérieurs sont reliés à la ceinture pelvienne. Selon les groupes de vertébrés les membres locomoteurs ont des rôles différents : la forme de ce squelette est adaptée à leur fonction. Ex.: le membre antérieur de poisson est adapté à la nage (nageoire) ; le membre antérieur d oiseau est adapté au vol (aile). Néanmoins, chez les vertébrés tétrapodes les membres locomoteurs ont une organisation commune. Ils comportent 3 segments : le bras ou la cuisse, l avant-bras ou la jambe, la main ou le pied muni de doigts. L organisation commune des vertébrés suggère que tous les membres de ce groupe ont une parenté c est-à-dire qu ils ont une ascendance commune. Les caractères communs des vertébrés sont donc hérités de cette ascendance commune. - axe de polarité : droite virtuelle reliant deux pôles opposés du corps d un animal ; - membre locomoteur : organe permettant le déplacement d un être vivant ; - ascendance commune : ancêtre commun - de définir les termes : axe de polarité ; membre locomoteur ; ascendance commune ; - de mettre en évidence l organisation commune des vertébrés ; - de mettre en évidence la parenté entre les vertébrés 7 / 8

8 III. Diversité génétique et évolution des espèces voir activités 36 à 28 du problème 8 Dans une population d organismes de la même espèce, il existe souvent une grande diversité génétique : de nombreux gènes sont représentés par plusieurs allèles différents. La fréquence des allèles peut varier au cours du temps. Pour un allèle donné, cette fréquence peut augmenter, diminuer, voire même devenir nulle (disparition de l allèle). De plus, de nouveaux allèles apparaissent sans cesse par mutations géniques. Deux mécanismes principaux sont à l origine de cette variabilité allélique : la dérive génétique et la sélection naturelle. La dérive génétique : La dérive génétique est une variation aléatoire de la fréquence des allèles au cours du temps dans une population. Elle est surtout une conséquence de la reproduction sexuée : d une génération à la suivante, seuls certains allèles sont transmis des parents aux descendants. Ce tri entre allèles est complètement aléatoire. La dérive génétique est plus marquée lorsque l effectif de la population est faible. En général, elle appauvrit génétiquement cette population, au sein de laquelle certains allèles peuvent disparaître. La sélection naturelle : La sélection naturelle est une variation non aléatoire de la fréquence des allèles. Dans un milieu donné, certains allèles donnent un avantage aux individus qui les portent. Ceux-ci ont donc plus de chance de vivre et d atteindre plus facilement l âge de se reproduire. Aussi, au fur et à mesure des générations, la fréquence des allèles avantageux augmente dans une population. L apparition de nouvelles espèces : Sous l effet de la dérive génétique et de la sélection naturelle, les populations d une même espèce peuvent se transformer au cours du temps. Lorsque les différences génétiques deviennent importantes entre deux populations, les individus issus de chacune de ces populations perdent la capacité de se reproduire entre eux. Dès lors, les deux populations forment deux espèces distinctes et nouvelles. Dérive génétique et sélection naturelle sont donc deux moteurs de l évolution des espèces. - population : groupe d individus appartenant à une même espèce et vivant dans une même zone géographique ; - dérive génétique ; sélection naturelle : voir résumé - évolution : processus complexe à l origine de l émergence de nouvelles espèces et participant aux modifications de la biodiversité - de définir les termes : population ; dérive génétique ; sélection naturelle ; évolution - d'exploiter des modèles pour illustrer la dérive génétique et la sélection naturelle - d expliquer la formation de nouvelles espèces 8 / 8