Classe seconde / La terre dans l'univers : planète habitée LA TERRE DANS L'UNIVERS : PLANÈTE HABITÉE...2

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1 LA TERRE DANS L'UNIVERS : PLANÈTE HABITÉE...2 CHAPITRE I NATURE ET UNITÉ DU MONDE VIVANT...2 1/ Les conditions de la vie : une particularité de la terre...2 2/ La nature du vivant...4 A Les formes de vie...4 B La composition chimique du vivant...6 C / Les transformations chimiques dans les cellules / La biodiversité, résultat et étape de l'évolution...8 A/ La biodiversité : écosystèmes et espèces...8 B/ Variabilité dans le temps de la diversité biologique...9 C / Biodiversité et liens de parenté entre les organismes : le cas de vertébrés...9 CHAPITRE II L'EVOLUTION DES ÊTRES VIVANTS / La structure de l'adn / Les variations de l'adn / La sélection naturelle / La Dérive génétique /13

2 LA TERRE DANS L ' UNIVERS : PLANÈTE HABITÉE Problème : Comment expliquer l'émergence et le développement de la vie sur terre au sein du système solaire? C HAPITRE I N ATURE ET UNITÉ DU MONDE VIVANT 1/ LES CONDITIONS DE LA VIE : UNE PARTICULARITÉ DE LA TERRE TP : Recherche des informations des planètes du système solaire sur internet Tableau comparatif des planètes du système solaire Le système solaire est formé de plusieurs types d'objets : comètes (amas de roches et de glaces), astéroïdes, d'une étoile (soleil) et de plusieurs planètes. On classe les planètes en deux grands types : les planètes rocheuses ou telluriques (mercure, venus, terre et mars) et les planètes gazeuses. TP: Réalisation de graphiques à partir des données du tableau comparatif des planètes (TABLEUR) Variation des températures à la surface des planètes en fonction de la distance au soleil Température de surface (en C) Venus Mercure 100 Terre Mars Lune 0 Jupiter Saturne -100 Uranus Neptune Distance au soleil (en u.a.) Variation de la masse volumique d'une planète en fonction de la distance au soleil Masse volumique (T/m3) 5,5 Terre Mercure Venus 4,5 Mars 3,5 2,5 1,5 Neptune Jupiter 0,5 0 5 Uranus 2/13 Saturne Distance au soleil (u.a)

3 Les caractéristiques des planètes : (voir les graphiques ci-dessus) La température à la surface des planètes décroit avec éloignement au soleil. L'atmosphère va modifier la température de la planète (ex : Vénus est plus éloignée que Mercure, pourtant sa température est supérieure à celle de Mercure. Cela s'explique par une atmosphère dense sur Vénus, provoquant un fort effet de serre). Les planètes telluriques sont de petites planètes très denses Les planètes gazeuses sont des planètes géantes peu denses. Comment expliquer que la vie ne se développe que sur terre : Exercice : État de l'eau sur les planètes telluriques La terre seule présente les particularités permettant l'émergence de la vie : présence d'eau liquide (car les conditions de Pression et température le permettent) et atmosphère compatible (la présence d'atmosphère est possible grâce à la taille et la température terrestre : les gaz atmosphérique ont une vitesse inférieure à la vitesse d'évasion). 3/13

4 2/ LA NATURE DU VIVANT A Les formes de vie TP 1-2 / Observation détaillée de paramécie (Animaux) et euglènes (Euglènes) et E. Coli+ ppt ultra structure cellulaire Dessin : observation de stomates d'épiderme inférieur de feuille de polypodes / au microscope optique Livre pages Observations du TP : - Les paramécies sont des organismes unicellulaires de grandes tailles, capables de se délacer rapidement par des mouvement de cils (visibles à leur périphérie). Ce sont des cellules appartenant au règne des animaux. - Les euglènes sont des cellules plus petites que les paramécies. Elles possèdent en plus dans leur cytoplasme des chloroplastes (organites pigmentés en vert). Les euglènes sont des algues unicellulaires. Elles appartiennent au règne des végétaux. - Les streptocoques et bacilles (observés dans le yaourt) sont des organismes unicellulaires de très petite taille. Elles ne possèdent pas de noyau, ni de chloroplastes. La cellule est l'unité irréductible de la vie, elle présente cependant une très grande diversité de forme, de taille et d'organisation. Une cellule est un volume rempli de cytoplasme et délimité par une membrane. Le cytoplasme comprend une partie liquide dans lequel flottent des structures organites On peut classer les organismes vivants en plusieurs catégories : Les organismes unicellulaires (comme les paramécies, les euglènes, les bacilles...) formés d'une seule cellules et les organismes pluricellulaires formés de plusieurs cellules. Parmi ces organismes, certains sont formés de : Les cellules ayant un noyau : les eucaryotes (animaux, plantes, champignon) Les cellules sans noyau : les procaryotes (bactérie : ex : streptocoque et bacille) Fiche bilan (recto) : Schéma des cellules végétales, animales et bactérienne. 4/13

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6 B La composition chimique du vivant TP 1/2 Comparaison de la composition chimique de la matière vivante et de la matière minérale Fiche complétée de la nature chimique de la matière vivante et minérale Composition atomique des molécules organiques et des molécules minérales Livre pages Catégorie de molécule Modèle 3D Molécule Glucide (Glucose) organique (monde vivant) Lipide (Acide oléique) Molécule minérale Type d'atomes et ordre d'importance H>C>O H>C>O Protide (Glycine) H>C>O>N Silicate (Biotite) O>Si>Fe>Mg>Al>H>K Les cellules qui constituent les êtres vivants sont un assemblage de différentes molécules : lipides, protides, glucides, et eau. Ces molécules contiennent surtout les atomes de C, O, N, H et P. Du fait de la prédominance des atomes de carbone, on parle de matière carbonée ou matière organique. Le monde minéral : atmosphère formée de molécules à l'état de gaz : H, N, O hydrosphère formé de molécules à l'état liquide : H et O géosphère (roche) molécule à l'état de cristal (solide) : Si, O, Ca, Mg, Fe, Al, K Le monde vivant et le monde minéral sont constitués d'atomes de même nature, mais la proportion de ces atomes dans les molécules carbonées et dans les molécules minérales sont différentes. 6/13

7 C / Les transformations chimiques dans les cellules TP Mise en évidence de la fabrication d'amidon par les cellules à chloroplastes de l'élodée (algue verte) Exercice (fiche recto/verso) : les transformationss chimiques dans les cellules (tp_metabolisme) Exercice (fiche recto) : Les échanges de molécules gazeuses dans les cellules Fiche bilan (fiche recto) : Les métabolismes (cellule chlorophyllienne / cellule non chlorophyllienne) Fiche (fiche recto) : DM (td_metabolisme_energie_cellulaire) Bilan : De nombreuses transformations chimiques (ex : comme la fabrication de l'amidon dans les chloroplastes) ont lieu à l'intérieur des cellules. On appelle ces réactions chimiques le métabolisme. Le métabolisme est contrôlé par les gènes (ex : certaines plantes mutantes fabriquent un amidon différent) et influencé par l'environnement (ex : la fabrication de l'amidon se fait en présence de lumière). Les cellules possédant des chloroplastes, appelées cellules chlorophylliennes, sont capables de transformer les molécules minérales (CO2 et H2O) en molécules carbonées (organiques). On parle de métabolisme autotrophe. Les cellules sans chloroplastes ne peuvent pas transformer les molécules minérales en molécules carbonées. Elles utilisent des molécules carbonées déjà constituées. On parle alors de métabolisme hétérotrophe. 7/13

8 3 / LA BIODIVERSITÉ, RÉSULTAT ET ÉTAPE DE L'ÉVOLUTION A/ La biodiversité : écosystèmes et espèces TP Étude de 4 écosystèmes forestiers méditerranéens (Travail de botanique en classe) Écosystème : Ensemble des espèces végétales et animales qui cohabitent en un même endroit. Espèce : Une espèce regroupe des individus ayant une très forte ressemblance et pouvant se reproduire entre eux. (Ex : Les chênes verts). Cependant les espèces entre elles ont également des ressemblances. On regroupe les espèces qui se ressemblent dans un Genre (ex : le genre Chêne qui regroupe les chênes Blancs, les chênes verts, les chênes kermès...). En sciences, on nomme un organisme par le nom du Genre, suivi du nom de l'espèce, écrits en latin (le nom du Genre portant un Majuscule). (Ex : Quercus ilex = chêne vert : Quercus = Genre, ilex = espèce) Trois espèces du Genre Quercus Chêne kermès Quercus coccifera Chêne blanc Quercus pubescens Chêne vert Quercus ilex Notion de biodiversité : On distingue : - la diversité des espèces (existence d'une grande variété d'organismes dans un écosystème) - la diversité es écosystèmes (existence de différents ecosystèmes / Ex : 4 forêts autour Salagou) Problème : Comment expliquer l'existence de différents écosystèmes? TP Étude de la répartition des 4 écosystèmes forestiers méditerranéens (Travail SIG google earth) Fiche élève : Étude de la diversité écosystémique entre le lac de Vailhan et le Lac du Salagou On compare (avec le logiciel Google earth) les cartes représentant les écosystèmes forestiers avec la carte géologique. On cherche ainsi à connaître l'influence de la roche sur la répartition des écosystèmes. Bilan : La diversité des écosystèmes s'explique par la variation locale de conditions écologiques (roches, humidité...). Les plantes par exemples se développeront dans un milieu qui correspond à leur préférence écologique (illustré par leur écogrammes). Livre pages /13

9 B/ Variabilité dans le temps de la diversité biologique Question : La diversité biologique biologique est elle stable dans le temps? TP La forêt héraultaise entre le chalcolithique et l'actuel (Google earth + Docs. Papier + tableur) Fiche élève : Explication de la variation dans le temps de la forêt héraultaise : Rocher du Causse à claret Bilan : La diversité biologique se modifie dans le temps en un endroit donné. Deux facteurs sont déterminant dans la survie d'un organisme dans un milieu : L'organisme devra être adapté aux conditions du milieu (humidités, sols, températures.. L'organisme sera en concurrence avec d'autres organismes. Les organismes qui se reproduiront avec le plus d'efficacité dans le milieu pourront ainsi assurer leur pérennité. Une modification des conditions du milieu et/ou des conditions de concurrence (notamment par l'intervention de l'homme) entre les organismes peut engendrer une variation de la biodiversité. C / Biodiversité et liens de parenté entre les organismes : le cas de vertébrés Problème : Comment établir les liens de parenté entre les espèces à partir de leur classification? Fiche élève : Comment classer les êtres vivants... TP Classification et liens de parenté chez les vertébrés Fiche élève : Tableau de caractères des vertébrés + feuille avec boites + feuille avec arbre phylogénétique Exerice : Lien de parenté entre certains dinosaures et les vertébrés actuels Bilan : Rappel La théorie de l évolution développe l idée que les espèces vivantes proviennent les unes des autres par descendance avec modification. (Voir fiche élève comment classer les êtres vivants...) L'observation de l'anatomie des organismes permet les regrouper selon leurs caractères partagés. Le partages de caractères entre deux espèces, illustre l existence d un ancêtre commun. Cet ancêtre commun leur a cédé par descendance ces caractères. La modification de certains caractères font apparaître de nouveaux caractères. La représentation graphique de la classification, sous la forme d un arbre phylogénétique permet d'identifier les liens de parenté entre les différentes espèces. Le groupe des vertébrés inclus l'ensemble des animaux possédant : Polarité antéro-postérieure, Polarité dorso-ventrale, Symétrie bilatérale et un squelette osseux. Livre pages /13

10 C HAPITRE II L' EVOLUTION DES ÊTRES VIVANTS Problème : Comment expliquer l'évolution des caractères héréditaires des êtres vivants 1 / LA STRUCTURE DE L'ADN Constat : L'ADN est la molécule contenue dans les chromosomes. Elle porte donc le message hérédiataire qui permet la transmission des caractères hérédiaires. Sous Problème : Quelle est la structure de la molécule d'adn? TP Etude de la structure de l'adn à l'aide du logiciel Rastop Tableau de comparaison des 4 nucléotides Différences Noms des nucléotides - Le nombre d'atomes varie entre les 4 molécules - Les extrémités de chaque molécule contenant les atomes N (Azote) sont différentes : Adénine 1 hexagone et 1 pentagone sans atome d'oxygène Guanine 1 hexagone et 1 pentagone avec une atome d'oxygène Cytosine 1 hexagone, avec deux atomes d'oxygène Thymine 1 hexagone, avec 1 atome d'oxygène Points communs - Les 4 molécules sont formées des mêmes atomes : C (Carbone), N (Azote), P (Phosphore), H (Hydrogène), O (Oxygène) - L'extrémité de chaque molécule est identique : un regroupement d'atomes d'oxygène autour d'un atome de Phosphore. - Au centre de chaque molécule se trouve le même agencement d'atomes ( C, H et O) en forme de pentagone Livre pages Bilan : L'ADN (Acide Désoxyribose Nucléique) est une molécule complexe de très grande taille. Elle est constituée de 2 brins symétriques formant un hélice. Chaque brin est un assemblage linéraire de nucléotides (séquence de nucléotides). On remarque que les nucléotides de chaque brin sont complémentaires : Les nucléotide thymine et adénine se font toujours face, de même que les nucléotides cytosine et guanine. Fiche bilan ADN élève 10/13

11 2 / LES VARIATIONS DE L'ADN Sous Problème : Y a t'il une corrélation entre les modifications des caractères et les modifications de l'adn? TP Etude des modifications de l'adn entre différents vertébrés (Logiciel Anagène) - Dans un premier temps, on étudie le caractère héréditaire NAD (NAD est une protéine présente chez tous les êtres vivants C'est un caractère partagé). On réalise une comparaison de NAD entre différents vertébrés (Voir tableau 1). Rappel : Une protréine est une séquence d'acides aminés. Tableau N 1 : Comparaison des protéines NAD chez certains vertébrés Taille (nombre Différence (nombre d'acides aminés) Différence (%) d'acides aminés) Homme (référence) 65 Anguille 81 95,1 77 Chimpanzé 67 16,4 11 Chien 91 95,6 87 Gibon 65 24,6 16 Orang_outan 65 30, Dans un deuxième temps, on étudie l'adn responsable de la transmission de ce caractère héréditaire NAD (On compare donc les nucléotides de l'adn de chaque vertébrés) Tableau N 2 : Comparaison des séquences d'adn chez certains vertébrés Taille (nombre de Différence (nombre Différence (%) nucléotides) de nucléotides) Homme (référence) 237 Anguille ,1 322 Chimpanzé Chien ,6 381 Gibon ,1 57 Orang_outan ,5 58 Question : Le quel des vertébrés étudiés a le lien de parenté le plus développé avec l'homme? Réponse : D'après les données des deux tableaux, le chimpanzé est le vertébré présentant le moins de différences avec l'homme au niveau du caractère NAD (11 acides aminés différents, soit 16,4 % de différence). Il présente également le moins de différence avec l'homme, lorsque l'on compare l'adn (26 nucléotides différents, soit 11 % de différence). ON peut donc supposer que le chimpanzé est le vertébrés ayant le degré de parenté le plus important avec l'homme. Bilan : Il existe une corrélation très nette entre les modifications d'un caractère héréditaire et les modifications de l'adn. Une modification de l'adn (appelé mutation de l'adn) correspond a un changement de l'ordre des nucléotides dans la séquence de la molécule d'adn. Un gène : Un gène est un fragment précis d'adn responsable de la transmission d'un caractère (ex : le fragment d'adn responsable du caractère NAD). Un allèle : Il existe plusieurs variantes d'un gène (voir le tableau n 2 ci-dessous). Chacune de ces variante est appelé allèle. (Ex : le tableau N 2 présente 6 allèles du gène responsable du caractère NAD). Livre pages (+ Bilan page 75/76/77) 11/13

12 3 / LA SÉLECTION NATURELLE TP : Sélection naturelle et évolution de la denture chez les mammifères (voir fiche sur la denture du condylarthre) Tableau de comparaison de la denture et des régimes alimentaires chez certains mammifères Espèce Régime alimentaire Type de croissance Formule dentaire Chien carnivore Limitée 3/3i +1/1c +4/4p +2/3m Chat carnivore Limitée 3/3i +1/1c +3/2p +1/1m Sanglier omnivore Limitée 3/3i +1/1c +4/4p +3/3m Chèvre herbivore Continue 0/3i +0/1c +3/3p +3/3m Vache herbivore Continue 0/3i +0/1c +3/3p +3/3m Lapin herbivore Continue 2/1i +0/0c +3/2p +3/3m Brebis Bélier herbivore Continue 0/3i +0/1c +3/3p +3/3m Cheval herbivore Continue 3/3i +(1/1mâle)c +3/3p +3/3m Problème : Comment expliquer le passage de l' ancêtre commun des herbivores (40 millions d'années : condylarthres) possédant des dents à croissance limitée aux herbivores actuels possédant des dents à croissance continue? Explication envisageable : Il y a 40 Ma les condylarthres possédaient des dents à croissance limitée et consommaient des herbes non abrasives. Puis les graminées sont apparues vers 36 Ma. Les condylarthres étaient alors désavantagés par leur dents à croissance limitée, qui se trouvaient usées par les graminées abrasives. Une mutation touchant le gène responsable des dents a fait apparaître le caractère "dents à croissance continue" chez un descendant d'un condylarthre. Ce descendant a été avantagé par rapport aux autres condylarthres. Il s'est donc plus reproduit. Les générations suivantes ont ainsi vues le nombre de condylarthres à "dents à croissance continue" disparaitre et le nombre de descendants à dents à croissance continue prendre le dessus. Bilan : Des mutations sur les gènes peuvent provoquer l'apparition de nouveaux caractères par modification des caractères ancestraux. Si ces caractères dérivés apportent un avantage à l'individu dans l'écosystème, celui-ci deviendra concurrentiel par rapport à ses congénères et se reproduira davantage. Ses descendants pourront alors devenir les seuls représentant de l'espèce. Ce phénomène est appelé sélection naturelle. Elle peut conduire à l'apparition de nouvelles espèces, ainsi qu'à la disparition d'espèces. 12/13

13 4 / LA DÉRIVE GÉNÉTIQUE Notion de 3ième - Un gène occupe la même position sur chacun des deux chromosomes d une paire. Il peut présenter des versions différentes appelées allèles" et "Les cellules possèdent, pour un même gène, soit deux fois le même allèle, soit deux allèles différents. - Au cours de sa formation, chaque cellule reproductrice reçoit un chromosome de chaque paire. Lors de la fécondation, spermatozoïde et ovule participent à la transmission de l'information génétique Pour chaque paire de chromosomes, un chromosome vient du père, un de la mère Génotype : Paire d'allèles détenue pour un gène. Fréquence d'un allèle : (nmbre d'exemplaire de cet allèle dans une population * 100 / nombre total d'allèles du gène dans la population) TP : La dérive génétique : importance du hasard et de la taille d'une population dans la sélection d'un allèle On utilise le logiciel BioDyn pour simuler l'influence de la taille d'une population et du hasard dans l'évolution de la fréquence de 3 allèles (A1, A2, A3) d'un gène dans une population. Effectifs à t=500 générations dans une population comportant initialement 50 représentants de chaque génotype : -->résultat du calcul des fréquences : Effectifs à t=500 générations dans une population comportant initialement 3 représentants de chaque génotype : --> résultats du calcul des fréquences : Bilan : La fréquence d'un allèle et donc du caractère héréditaire associé peut évoluer de façon aléatoire. Cet effet est appelé la dérive génétique. La dérive génétique est d'autant plus importante que la population d'individu est de petite taille. Donc la disparition et les appatitions des espèces est causée par la sélection naturelle mais également par la dérive génétique. 13/13