THEME 1 LA TERRE DANS L'UNIVERS, LA VIE, L'EVOLUTION DU VIVANT. Partie A : Génétique et évolution

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1 THEME 1 LA TERRE DANS L'UNIVERS, LA VIE, L'EVOLUTION DU VIVANT Partie A : Génétique et évolution Chap 5. Les relations entre organisation et mode de vie, résultat de l'évolution : l'exemple de la vie fixée chez les plantes Les végétaux vivent en grande majorité fixés à l'interface entre l'air et le sol. Depuis leur apparition en milieu terrestre, les Angiospermes se sont considérablement diversifiés Plantes terrestres =EMBRYOPHYTES

2 (portent/protègent l embryon). Les embryophytes regroupent : bryophytes (mousses,hépatiques)

3 ptéridophytes (fougères, lycopodes, prêles, sélaginelles)

4 spermaphytes (=gymnospermes + angiospermes).

5 Les Angiospermes forment un ensemble d'environ espèces de plantes qui sont essentiellement caractérisées par le fait qu'elles produisent des graines incluses, dès leur origine, à l'intérieur d'un fruit.

6 Les Angiospermes occupent tous les milieux y compris les plus extrêmes.

7 Quelles sont les particularités fonctionnelles d'organisation de la plante? Comment ces particularités se sont mises en place au cours de l'évolution permettant ainsi une adaptation optimale au mode de vie fixé? Activité : Comparaison des surfaces d'échanges d'une plante et d'un mammifère Objectif : Comparer les surfaces d'échanges entre une plante et un animal afin d'identifier les adaptations des végétaux à la vie fixée. TP : Les surfaces d'échange d'une plante avec l'atmosphère et le sol Objectif : Mesurer grâce à paint.net et Mesurim une surface foliaire afin de calculer les surfaces d'échanges d'un échantillon pris dans le parc du BS.

8 1. Optimiser les échanges avec le milieu afin d'y puiser les ressources nécessaires à la vie tout en étant fixé

9 a) puiser l'eau et les éléments minéraux par les racines Comme tous les êtres vivants, les plantes sont constituées majoritairement d'eau. L'eau absorbée au niveau des racines entraîne les éléments minéraux nutritifs essentiels ( N, P, K...). assure le transport des solutés dans la plante. Assure le refroidissement de la plante. Permet la croissance cellulaire et le port dressé (mécanisme de turgescence). Est le substrat de nombreuses réactions enzymatiques. L'eau est essentielle mais pas toujours disponible dans le sol : à tout moment ou en quantité suffisante.

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11 Lorsque l'eau est rare, le système racinaire s'adapte en conséquence :

12 b) capter l'énergie lumineuse et les gaz atmosphériques par les feuilles La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux supérieurs. Elle est insérée sur les tiges des plantes au niveau des nœuds. À l'aisselle de la feuille se trouve un bourgeon axillaire. C'est aussi le siège de la respiration et de la transpiration. une feuille est généralement formée d'une lame plate et fine, le limbe, qui lui permet d'exposer à la lumière un maximum de surface.

13 Schéma d'une coupe de feuille en 3D échanges gazeux au niveau des stomates Des limbes plats constituent de vastes surfaces d'absorption de l'énergie lumineuse. Les stomates (face inférieure) permet aux gaz d'entrer dans la feuille et d'en sortir. Un vaste réseau de nervures apporte l'eau vers la feuille et se charge des produits de la photosynthèse.

14 Phototropisme Gunnera nénuphar

15 Cette surface d'échange peut cependant s'avérer désavantageuse lorsque l'eau manque dans le milieu : milieu aride ou milieu froid. Les feuilles possèdent alors certaines particularités leur permettant de limiter les pertes en eau et l'entrée d'eau gelée en jouant sur l' évapotranspiration. Cuticule épaisse laurier réduction de la taille de la feuille Mélèze Genévriers

16 feuilles gorgées d'eau : succulentes Sedum acre (Crassulacées) c) optimiser les échanges entre racines et feuilles par l'établissement de réseaux conducteurs TP : les particularités de l'organisation fonctionnelle des plantes : les systèmes conducteurs de sève objectifs : observer la présence de vaisseaux conducteurs de la sève brute de la racine à la feuille, comprendre et observer l'existence de vaisseaux conducteurs de la sève élaborée, comprendre et observer la répartition des vaisseaux au sein de la plante.

17 Le xylème transporte la sève brute (eau et éléments minéraux) depuis les racines vers les organes photosynthétiques (feuilles) de la plante. Le phloème prend en charge la sève élaborée (eau, glucides solubles, lipides, acides aminés hormones) des organes producteurs vers les organes consommateurs ou de stockage.

18 Les éléments conducteurs du xylème sont les trachéides et les vaisseaux dont la paroi est lignifiée. Selon le dessin de la lignification on distingue les vaisseaux : annelés, spiralés, rayés, réticulés, ponctués. anatomie/tissus/conducteurs/conducteurs.h tml# Les éléments conducteurs du xylème sont des éléments morts. Les éléments conducteurs du phloème sont des cellules vivantes :les cellules criblées. Elles communiquent entre elles par des pores qui interrompent la paroi cellulosique. Elles n'ont ni noyau,ni vacuole et sont bordées de cellules compagnes.

19 2. Se défendre contre les agression tout en restant fixé (la fuite n'est pas possible) a) se défendre contre les facteurs physiques de l'environnement défense contre la sécheresse :la feuille d'oyat doc 1 p

20 défense contre le froid : arabidopsis activité : La plante possède des mécanismes de défense contre le froid défense contre la salinité du milieu (littoral, prés salés) : salicorne Plus il y a de sels dissous dans le sol et plus la pression osmotique augmente. Son effet pour les plantes se traduit par une plus grande difficulté à absorber l'eau. Les sols salés sont même comparés à des sols "physiologiquement secs" malgré leur nature "mouillée". Economiser l'eau devient une nécessité vitale pour les plantes. Petit à petit, elles constituent des réserves d'eau dans leurs tissus, qui en deviennent gorgés. L'absorption de l'eau dépend également du rapport entre la pression osmotique interne de la plante et celle du sol. Pour augmenter la pression osmotique interne, chez certaines espèces existent des mécanismes intracellulaires de fractionnement des grosses molécules organiques. Aux mêmes fins, d'autres espèces absorbent des quantités mesurées de sodium, ce que révèle leur goût.

21 b) se défendre contre les prédateurs et nuisibles exemple de l'acacia caffra doc 2 p117 exemples du Datura et de la fraise et du houx activité : La plante possède des mécanismes de défense contre les prédateurs exemple de la cardère sauvage défenses par des structures : épines, poils glandulaires production de substances repoussantes ou mortelles : tanins, phytoalexines (antibiotiques végétaux produits par la plante suite à une infection ou un stress. Elles jouent un rôle de pesticide naturel contre les bactéries et les champignons. ), PR protéines ( Protéines de défense produites par la plante dans le but d'éliminer un micro-organisme agresseur et empêcher la production de ses facteurs de virulence)...

22 c) perdurer malgré les variations saisonnières Les plantes ont des cycles de vie différents et peuvent être soit vivaces, soit annuelles ou bisannuelles. Ces cycles de vie peuvent leur permette de passer «la mauvaise saison» sous forme de structures résistantes ou de disparaître. Les plantes annuelles réalisent leur cycle complet en 1 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 et/ou pendant la saison chaude. Certaines plantes arrivent à réaliser plusieurs cycles végétatif dans l'année.

23 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 croissent chaque année Elles produisent chaque année des fleurs et graines

24 1: sapin, 2:Chêne,3: myrtille, 4: jacinthe, 5 :pissenlit, 6 :muguet Les arbres à feuilles caduques perdent leurs feuilles afin d'éviter de se déshydrater pendant l'hiver. C'est pas sorcier «l'automne»

25 3. Se reproduire sans se déplacer a) organisation de la fleur TP : organisation de la fleur + documents p (méthode de construction d'un diagramme floral exemple de la tulipe) Une fleur est issue du développement d un bourgeon floral terminal ou latéral. Elle est portée par une tige (le pédoncule) insérée à l aisselle d une feuille (la bractée), et l ensemble est relié à un rameau. La fleur elle-même est située sur l extrémité renflée du pédoncule, le réceptacle floral.

26 Les caractères morphologiques, le nombre et les relations entre les pièces florales peuvent varier d une espèce à l autre. Cependant, leur ordre d insertion au niveau du réceptacle floral est constant. pistil Ainsi, une fleur complète est formée de 4 «cercles» de pièces florales, soit 4 verticilles, qui sont, de l extérieur vers l intérieur :

27 1er verticille - Le calice: ensemble des sépales. Les sépales peuvent être libres (fleur dialysépale) et soudés (fleur gamosépale) Fleur dialysépale : Forsythia Fleur gamosépale: Primevère 2ème verticille - La corolle: Ensemble des pétales. Les pétales peuvent être libres (fleur dialypétale) ou soudés (fleur gamopétale) Fleur dialypétale: Lavatère Fleur gamopétale: Narcisse

28 L ensemble du calice et de la corolle forme le périanthe. Il arrive que le calice et la corolle soient difficiles à différencier, et dans ce cas, on parle de tépales à la place des pétales et des sépales, et le périanthe est nommé périgone. Le périanthe est un ensemble de pièces florales stériles protégeant les organes reproducteurs. Il a aussi souvent un rôle attractif vis-à-vis des animaux polinisateurs. 3ème verticille - L androcée: Appareil reproducteur mâle de la fleur, il est formé par les étamines. Chaque étamine est formée d un filet à l extrémité duquel se trouve l anthère contenant les grains de pollen. Les étamines peuvent être libres, ou soudées (par les filets ou les anthères).

29 4ème verticille -Le gynécée: Appareil reproducteur femelle de la fleur, il est formé de carpelles renfermant un ou plusieurs ovules. Les carpelles peuvent être libres ou soudés (partiellement ou entièrement). Ils forment le pistil. La partie renflée du pistil, l ovaire, est prolongée par le style et se termine par le stigmate. fleur de tulipe organes reproducteurs de la fleur de tulipe

30 Certaines fleurs sont hermaphrodites, lorsqu elles contiennent à la fois des étamines et des carpelles. Mais il existe aussi des fleurs unisexuées, soit mâles, avec uniquement des étamines (fleurs staminées), soit femelles, avec seulement un gynécée (fleurs pistillées). une fleur mâle de courgette Une fleur femelle de courgette

31 Les fleurs «en étoile», présentant un axe central de symétrie, donc à symétrie radiale, sont les fleurs actinomorphes. Leurs verticilles sont disposés sur les rayons d un cercle. Les fleurs présentant un plan de symétrie bilatéral sont dites zygomorphes. Quelques fleurs ACTINOMORPHES Primevère Fleurs ZYGOMORPHES Pomme de terre Violette orchidée

32 b) mécanismes de la reproduction Après la pollinisation, les grains de pollen qui contiennent les gamètes mâles se trouvent sur le stigmate,à une certaine distance du gamète femelle. Pour permettre la rencontre des gamètes, le grain de pollen germe et produit un tube pollinique qui s'allonge et pénètre dans le sac embryonnaire situé dans l'ovule. L'ovule fécondé se transforme en graine et le reste du pistil se transforme en fruit.

33 L'autofécondation est rare chez les êtres vivants. L'existence de partenaires mâles et femelles permet d'obtenir le brassage génétique nécessaire à la variabilité au sein d'une espèce. Chez les plantes à fleurs, leur immobilité leur interdit une recherche active d'un partenaire complémentaire. De plus, de très nombreuses plantes à fleurs sont bisexuées. Comment les plantes "choisissent"-elles leurs partenaires sexuels? Quand les fleurs sont unisexuées La fécondation ne peut se réaliser qu'entre une plante mâle et une plante femelle. Un certain nombre de plantes utilisent cette stratégie. Assez fréquente chez les plantes arborescentes, elle est plutôt rare chez les plantes herbacées. A cause de l'immobilité des plantes, une reproduction correcte implique l'existence sur le même lieu (ou à une distance autorisée par les processus de transport du pollen) des plantes des deux sexes.

34 Quand les fleurs sont bisexuées C'est le cas le plus général. Le pollen des étamines peut se déposer aussi bien sur les stigmates (partie réceptrice de l'organe femelle) de la même fleur, d'une autre fleur de la même plante ou d'une fleur d'une autre plante. Des autofécondations ou des fécondations croisées peuvent se réaliser au hasard, exemple : le maïs (Graminées). autofécondation fécondation croisée

35 Le plus souvent cependant, des dispositifs particuliers (anatomiques, temporels ou génétiques) permettent de choisir une stratégie : autofécondation, fécondation croisée. Ces stratégies sont de nature : -anatomiques (en relation souvent avec la pollinisation par les insectes). exemples : la sauge et de certaines orchidées et la primevère -temporelles (maturité différée des organes mâles et femelles) exemple : le maïs -génétiques : quel que soit le transport du pollen sur le stigmate des fleurs, la poursuite des processus permettant la fécondation est contrôlée par des phénomènes d'incompatibilité génétique interdisant l'autofécondation. c) le contrôle génétique de la morphogénèse florale exploitation des documents p121 + ex 8p133 + ex 6p132

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37 d) co-évolution des plantes et des animaux exploitation des documents p123 Pour la plupart des plantes le transport des grains de pollen (pollinisation) indispensable à la fécondation est assuré par un animal (zoogamie) : insecte, oiseau, chauve-souris... Des relations étroites entre plantes et animaux assurant leur pollinisation se sont construites : coévolution. Les fleurs ont développé des caractères attirant les animaux : odeur, couleur, motifs, forme, nectar...

38 Les animaux pollinisateurs ont développé des adaptations : adaptation des pièces buccales permettant de prélever le nectar (trompes des papillons, bec des colibris, museau des chauve-souris ) ou le pollen (abeilles) ; Une langue pour récolter le nectar La langue des colibris est un remarquable outil. La scission en deux branches, l'enroulement des bords en deux gouttières longitudinales et la présence de fines excroissances favorisent la rétention du suc des fleurs. La langue est également protractile, c'est-à-dire capable de saillir nettement hors du bec, grâce aux deux muscles latéraux de la langue qui passent sous le crâne, puis remontent par-dessus pour se fixer enfin à la hauteur des fosses nasales, tout près de la base du bec. apparition d'organes adaptés à l'accrochage du pollen (poils, peignes); adaptations au vol stationnaire; adaptations comportementales;

39 Il s'agit d'une interaction à bénéfice mutuel, les deux espèces alors liées évoluent de façon conjointe. Co-évolution (Ehrlich et Raven, 1964) : changements évolutifs réciproques qui apparaissent chez 2 espèces qui sont en étroite interaction et qui évoluent parallèlement. Ainsi des mutations des gènes du développement chez les végétaux (organisation florale) ou chez les animaux pollinisateurs sont sélectionnées quand elles procurent un bénéfice mutuel pour les deux espèces : meilleure nutrition pour l'animal et reproduction plus efficace pour la plante. Ex 10 p134 Une fois les graines formées, elles vont germer si les conditions sont favorables pour donner un nouvel individu. Comment coloniser un nouveau milieu puis l'envahir lorsque l'on vit fixé?

40 4. Coloniser de nouveaux milieux en restant immobile a) fruits et graines sont dispersés la force cachée des plantes

41 b) co-évolution des plantes et des animaux exploitation des documents p125 Les fruits ou graines sont adaptés à leur mode de dissémination. La production de tissus pulpeux autour de l unité de dissémination est le principal moyen que les plantes ont développé pour attirer les animaux, et les inciter à jouer le rôle de vecteurs de dispersion. Les fruits charnus, présentant une couche de pulpe élaborée «pour être mangée», représentent donc une ressource facilement accessible d un grand intérêt pour les animaux. les disséminateurs avalent le fruit, digèrent la pulpe et restituent les graines aptes à germer à distance de la plante-mère, par régurgitation ou défécation. Cette collaboration est le produit d'un processus de coévolution. Exercice 5p132

42 BILAN Les caractéristiques de la plante sont en rapport avec la vie fixée dans un milieu variable au cours du temps. Elle développe des surfaces d'échanges de grande dimension avec l'atmosphère (échanges de gaz, capture de lumière) et avec le sol ( échange d'eau et d'ions). Des systèmes conducteurs permettent des circulations de matières dans la plante, notamment entre systèmes aérien et souterrain. Elle possède des structures et des mécanismes de défense (contre les agressions du milieu, les prédateurs, les variations saisonnières). L'organisation florale, contrôlée par les gènes du développement, et le fonctionnement de la fleur permettent le rapprochement des gamètes entre plantes fixées. La pollinisation de nombreuses plantes repose sur la collaboration animal

43 pollinisateur/plante produit d'une coévolution. À l'issue de la fécondation, la fleur se transforme en fruits contenant des graines. La dispersion des graines est nécessaire à la survie et à la dispersion de la descendance. Elle repose souvent sur une collaboration animal disséminateur/plante produit d'une coévolution.