1. ÉTATS ET CHANGEMENTS D ÉTAT DE L EAU

Transcription

1 LE PROGRAMME LA MATIÈRE 1. ÉTATS ET CHANGEMENTS D ÉTAT DE L EAU La connaissance de la matière qui compose toute chose en ce monde est naturellement un point de départ indispensable. Après avoir étudié la constitution de la matière et ses divers états, nous aborderons les notions de mélange et de solution, et plus particulièrement le mélange gazeux qu est l air Constitution de la matière 25 La matière est constituée d atomes (@GL.). Un atome a une dimension de l ordre de m, soit un dixième de milliardième de mètre. Il est constitué d un noyau comportant deux sortes de particules (protons et neutrons) autour duquel gravitent des électrons. Le diamètre du noyau est de l ordre de m, c est-à-dire fois moins que celui de l atome. Cela met en évidence le fait que la matière est essentiellement constituée de vide, on dit qu elle a une structure lacunaire. Souvent, les atomes sont associés dans des molécules (@GL.). Par exemple, la molécule d eau, notée (H 2 O), est constituée d un atome d oxygène central (O) relié à deux atomes d hydrogène (H). Certains corps contiennent des ions. Un ion est un atome (ou un groupe d atomes) qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. Par exemple, le sel de cuisine est essentiellement fait d ions sodium Na + et d ions chlorure Cl -. (@AI. Structure de la matière)

2 LA MATIÈRE ÉTATS ET CHANGEMENTS D ÉTAT DE L EAU 1.2. Les trois états de la matière Les différents changements d état sont résumés sur le schéma ci-dessous : Un corps peut exister sous trois états : solide, liquide ou gazeux. L état solide est un état compact et ordonné. Dans un solide, les molécules occupent des positions fixes et sont ordonnées de façon stable. Cela permet de comprendre pourquoi les solides ont une forme propre (exemples : la glace, un morceau de fer...). Si l on chauffe un solide, les molécules vibreront plus fortement autour de leur position d équilibre mais cela n affectera pas leur agencement. 26 L état liquide est un état compact et désordonné. Dans un liquide, les molécules n occupent pas de position fixe et se déplacent de façon désordonnée mais l espace occupé a toujours un volume déterminé. Contrairement au solide, un liquide n a pas de forme propre ; il prend la forme du récipient dans lequel il se trouve. Au repos, sa surface libre est horizontale. Le fait de chauffer un liquide augmente l agitation de ses molécules. L état gazeux est un état désordonné et dispersé. Les molécules sont éloignées les unes par rapport aux autres et se déplacent de façon désordonnée. Un gaz occupe tout le volume qui lui est offert ; on dit qu il est expansif. On peut aisément comprimer un gaz, c està-dire diminuer l espace qui lui est offert, ce qui n est pas le cas pour les liquides par exemple Changements d état Notion de corps pur 1 : fusion - 2 : solidification - 3 : sublimation - 4 : condensation solide - 5 : vaporisation - 6 : liquéfaction (ou «condensation») Si l on considère que la pression ne varie pas, la fusion, la vaporisation et la sublimation nécessitent une élévation de température, donc un apport d énergie. Par exemple, la fusion de la glace nécessite bien un chauffage. Existence d un palier Réalisons maintenant l expérience suivante : dans un récipient laissé à température ambiante, sous une pression normale, on place de la glace pilée. On introduit un thermomètre et on relève la température toutes les minutes. On obtient le graphique suivant, caractéristique de la fusion de la glace : 27 Un corps pur (@GL.) ne contient qu un seul type d atomes, d ions ou de molécules. Par exemple, l eau pure ne contient que des molécules d eau H 2 O. À l opposé, un mélange hétérogène (@GL.) contient plusieurs espèces chimiques différentes. Par exemple, l air contient des molécules de diazote N 2, de dioxygène O 2, et d autres molécules en proportion plus faible Changements d état d un corps pur Définitions Si l on modifie la température ou la pression, un corps pur peut changer d état. Par exemple, si l on refroidit de l eau liquide, celle-ci peut passer à l état solide, c est-à-dire sous forme de glace : on dit qu on a réalisé la solidification de l eau liquide. À l inverse, si l on chauffe de la glace, celle-ci peut repasser sous forme d eau liquide : on dit alors qu on a réalisé la fusion de la glace. Ces exemples mettent aussi en évidence le fait que les changements d état sont toujours réversibles : quand un corps change d état, le changement d état inverse est toujours possible. On remarque un palier à 0 C : la température reste constante tout au long de la transformation de la glace en eau liquide. Ce palier est caractéristique des corps purs. Toutefois, la température à laquelle il sera observé dépend du corps : 0 C pour la fusion de l eau et 100 C lors de son ébullition, pour le fer, c est respectivement C et C. Tout au long du palier, l énergie apportée ne sert pas à échauffer le corps mais à réaliser son changement d état.

3 LA MATIÈRE ÉTATS ET CHANGEMENTS D ÉTAT DE L EAU Pour la solidification de l eau liquide, on observe la même propriété : - l ébullition se produit dans l intégralité du liquide. Pour l eau pure, on l obtient à la température précise de 100 C (dans la pratique, avec de l eau du robinet, on obtient une valeur légèrement inférieure), de grosses bulles de vapeur se forment alors à l intérieur de l eau. Attention, les petites bulles que l on observe au début du chauffage, à des températures inférieures à 100 C, sont des bulles d air initialement dissous qui sont expulsées de l eau quand sa température augmente. En effet, la solubilité des gaz dans l eau diminue quand la température augmente. Variations de masse et de volume 28 Là encore, nous observons un palier à 0 C. Température et pression Les températures de changement d état dépendent de la pression. Pour l eau, la température de fusion est de 0 C et la température d ébullition 100 C sous la pression atmosphérique normale, à savoir hectopascals (1 hpa = 100 Pa). Si la pression augmente ou diminue, ces températures sont modifiées. Dans un autocuiseur, la pression étant plus importante que la pression atmosphérique, l eau atteint l ébullition à une température supérieure à 100 C. Ainsi, les aliments cuisent plus vite que dans une casserole, où la température de l eau est «plafonnée» à 100 C. Quand l altitude augmente, la pression atmosphérique diminue. La température d ébullition de l eau est donc de plus en plus faible au fur et à mesure que l altitude augmente. Par exemple, au sommet de l Everest, elle est de 72 C : difficile dans ces conditions d arriver à faire cuire un pot-au-feu! Ne pas confondre La vaporisation désigne le passage de l état liquide à l état gazeux. Mais ce passage peut se faire de deux façons différentes : - l évaporation est observée à des températures ordinaires, elle se produit à la surface entre le liquide et l air. Elle dépend de la nature du liquide, de la surface de contact air/liquide, de la température, de la ventilation, du taux d humidité de l air, etc. Quand une flaque a disparu ou que du linge a séché, de l eau s est évaporée. Nous avons tous remarqué que le linge sèche plus vite quand il fait chaud ou que le vent souffle, ce qui confirme les propriétés précédentes ; Lors d un changement d état, la masse se conserve, elle ne varie pas. Rappelons que l unité officielle de masse est le kilogramme. En revanche, le volume varie. Pour l eau, par exemple, celui-ci augmente au cours de la solidification (il faut toujours être prudent lorsqu on place une bouteille fermée dans un congélateur car elle risque d exploser à cause de l augmentation de volume de son contenu). Toutefois, il s agit d une exception : pour la grande majorité des corps, le volume diminue à la solidification. L unité officielle de volume est le mètre cube (m 3 ) mais on emploie fréquemment des unités plus pratiques, comme le litre (1 L = 1 dm 3 = 10-3 m 3 ) et ses sous-multiples comme le millilitre (1 ml = 1 cm 3 =10-6 m 3 ). Dans les conditions usuelles, la masse de 1 L d eau est voisine de 1 kg. On dit aussi que sa masse volumique est de 1 kg/l, soit 10 3 kg/m 3. Illustrations des trois états physiques de l eau Sous forme gazeuse, l eau porte le nom de vapeur (@GL.). La vapeur d eau est invisible. Dans l air, il y a toujours une certaine quantité de vapeur d eau, variable selon les conditions atmosphériques, que nous ne pouvons observer directement. Ainsi, nous comprenons que les nuages ne peuvent pas être constitués de vapeur d eau ; ils sont en fait formés de gouttelettes d eau liquide ou de cristaux de glace (si leur concentration est très importante, la lumière ne peut plus traverser le nuage qui sera alors vu noir depuis le sol). Un nuage se forme lorsque de l air humide subit un refroidissement. En effet, l air ne peut contenir qu une certaine quantité de vapeur d eau et cette quantité «plafond» diminue lorsque la température baisse. Par conséquent, si de l air humide se refroidit, il pourra contenir de moins en moins de vapeur d eau et lorsque le seuil sera atteint, une partie de la vapeur d eau qu il contient devra se liquéfier, d où la formation des gouttelettes d eau liquide constituant le nuage. Le brouillard et la brume sont, en fait, des nuages qui ont touché le sol. Dans un autocuiseur, le jet que l on peut voir quand on enlève la soupape est un jet de brouillard, contrairement à une idée communément répandue qui le qualifie de «vapeur». 29

4 LA MATIÈRE LA MATIÈRE Quand on sort une bouteille du réfrigérateur, celle-ci se couvre de buée. La buée est constituée de fines gouttelettes d eau liquide qui proviennent de la liquéfaction d une partie de la vapeur d eau contenue dans l air ambiant. Imaginons que celui-ci se trouve à une température de 20 C, quand il entre en contact avec la bouteille sortant du réfrigérateur, sa température diminue localement. La quantité maximale de vapeur qu il peut contenir va donc également diminuer, une partie de cette vapeur va ainsi devoir se liquéfier : c est la buée que l on observe sur les parois de la bouteille. On observe le même phénomène quand on souffle sur une vitre froide. La rosée obéit à une même logique : il s agit d eau liquide formée suite à un refroidissement d air humide. 2. MÉLANGES ET SOLUTIONS Dans le cas du givre, la vapeur d eau ne se dépose pas sous forme de gouttelettes mais directement sous forme de glace à condition que la température soit négative. Attention à l utilisation du mot fumée : au sens strict du terme, il s agit de petites particules solides en suspension dans l air, comme dans le cas de la fumée de cigarette par exemple. Quand on porte de l eau à ébullition dans une casserole, ce n est pas de la fumée qu on observe au-dessus mais un brouillard L eau 30 (@AI. Changement d état des corps purs et des mélanges) Changements d état des mélanges Quand un mélange change d état, on n observe plus de palier. Considérons, par exemple, la courbe de solidification de l eau salée : la température diminue au cours du temps mais il n y a plus de palier à une température précise, contrairement aux corps purs. L eau est omniprésente dans notre environnement, par exemple dans les boissons ou les organismes vivants. Pour détecter la présence d eau dans un corps, on peut utiliser le test au sulfate de cuivre anhydre (CuSO 4 ) : celui-ci, initialement blanc, devient bleu au contact de l eau. Si l on coupe une pomme en deux et que l on dépose un peu de sulfate de cuivre anhydre à l intérieur, celui-ci bleuit, on en conclut donc que la pomme contient de l eau. Attention, la pomme n est ensuite plus consommable! 2.2. Mélanges homogènes ou hétérogènes 31 Un mélange est constitué de plusieurs espèces chimiques différentes, par opposition au corps pur. On distingue deux types de mélanges : les mélanges homogènes et les mélanges hétérogènes Les mélanges hétérogènes Définition La température tu de début de solidification d un mélange eau/sel dépend de la teneur en sel. Pour un mélange contenant 10 grammes de sel pour 100 grammes d eau, elle est de -3 C. Pour 25 grammes, elle est de -20 C. Ces propriétés trouvent leur application dans le salage des routes en hiver. Ce sont des mélanges dont on peut distinguer facilement les divers constituants. Par exemple, un mélange d eau et d huile est hétérogène, de même qu un mélange d eau et de sable ou d eau et de terre. Une fumée peut être considérée comme un mélange hétérogène, puisque nous avons vu qu il s agissait de particules solides en suspension dans l air.

5 LA MATIÈRE MÉLANGES ET SOLUTIONS Séparation alors que le jus débarrassé de sa pulpe s écoulera sous l entonnoir. Pour séparer les constituants d un mélange hétérogène, on peut procéder à une décantation (@GL.) : on laisse reposer le mélange un certain temps, de telle sorte que les substances les plus denses se déposent au fond du récipient. Par exemple, pour un mélange eau/terre, la terre se déposera au fond et de l eau limpide surnagera. Dans le cas d un mélange eau/huile, l huile étant moins dense que l eau, elle surnagera. Il en est de même pour un mélange eau/pétrole, ce qui explique la formation de grandes «nappes» à la surface de l eau lors des catastrophes pétrolières. 32 L ampoule à décanter permet de séparer les constituants d un mélange hétérogène liquide/liquide. On place le mélange dans l ampoule, puis on laisse décanter. Le liquide le moins dense surnage et on peut séparer les deux constituants grâce au robinet situé en bas de l ampoule. Étudions le cas particulier des eaux gazeuses. Celles-ci contiennent du dioxyde de carbone gazeux (CO 2 ) dissous. On peut mettre ceci en évidence en recueillant ce gaz et en le faisant passer dans de l eau de chaux qui se trouble, signe caractéristique de la présence de dioxyde de carbone. Pour séparer le dioxyde de carbone de l eau, on peut procéder au dégazage de l eau pétillante : la masse du liquide diminue alors car le dioxyde de carbone extrait possède une masse (environ 1,9 gramme par litre de gaz) Les mélanges homogènes Définitions 33 Un mélange est homogène si on ne distingue pas ses différents constituants. Par exemple, le café est un mélange homogène, au même titre qu un sirop de menthe. Rappelons que la densité d un solide ou d un liquide est une grandeur sans unité, égale au rapport entre la masse d un litre de ce corps et la masse d un litre d eau. Ainsi, l eau a une densité égale à 1. Un corps moins dense que l eau a une densité inférieure à 1 (il «flotte» dans l eau), un corps plus dense une densité supérieure à 1 (il «coule»). Une autre technique de séparation est la centrifugation (@GL.) : on fait tourner le mélange à grande vitesse, afin d en séparer les constituants. Dans l industrie alimentaire, elle est utilisée pour séparer la crème du lait, ou pour enlever certaines particules du vin. (@DOC. La centrifugation) Dans le cas d un mélange hétérogène solide/liquide, la séparation peut être effectuée par filtration (@GL.) : on place le mélange dans un papier filtre disposé dans un entonnoir ; dans le papier, on récupère le résidu et sous l entonnoir s écoule un liquide nommé filtrat. Par exemple, si on filtre un jus d orange, la pulpe sera retenue dans le filtre L eau est un très bon solvant, elle peut faire des mélanges homogènes avec un grand nombre de corps très variés : des solides comme le sel ou le sucre, des liquides comme l alcool ou le sirop (on dit dans ce cas que l eau et l alcool ou le sirop sont miscibles) ou encore des gaz comme le dioxyde de carbone. Toutefois, on ne peut pas dissoudre des quantités illimitées de ces corps dans l eau, il existe toujours une limite appelée solubilité (@GL.). Par exemple, à 25 C, on ne peut pas dissoudre plus de 365 grammes de sel dans un litre d eau (en général, la solubilité augmente avec la température). Au-delà, la solution sera dite saturée, tout le sel rajouté ne se dissoudra plus et se déposera au fond du récipient sous forme solide. Dans le cas d un mélange homogène où l un des constituants joue un rôle particulier, très différent des autres, on parle de solution (@GL.). Dans une solution, on distingue le solvant qui est l espèce très majoritaire (il s agit souvent de l eau), et le soluté qui est l espèce que l on a dissoute dans le solvant. Par exemple, si l on dissout 5 grammes de sel (chlorure de sodium) dans 1 litre d eau, on obtiendra une solution de chlorure de sodium ; l eau sera le solvant et le sel, le soluté. Cette solution aura une concentration massique de 5 grammes par litre.

6 LA MATIÈRE Au cours d une dissolution, la masse totale se conserve : la masse du solvant plus celle du soluté avant dissolution est égale à la masse de la solution. Par exemple, si l on dissout 5 grammes de sucre dans 100 grammes d eau, la solution aura une masse de 105 grammes. Attention, un abus de langage fréquent confond dissolution et fusion : le sucre ne fond pas dans le café, il s y dissout! PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DES GAZ Autre technique de séparation : l évaporation. Prenons une eau fortement minéralisée et laissons-la s évaporer. Après un certain temps, il ne restera dans le récipient qu un résidu solide, correspondant aux minéraux initialement dissous dans l eau. (@AI. Distillation Mélange homogène ou hétérogène) Séparation Pour séparer les constituants d un mélange homogène, on peut procéder par distillation (@GL.). Cette méthode est basée sur les différences de températures d ébullition des constituants du mélange. Le montage utilisé est le suivant : Si l on place du vin (qui est un mélange d eau, d éthanol (alcool) et de diverses substances) dans le ballon et que l on chauffe à une température de 80 C : l éthanol va se vaporiser car sa température d ébullition est de 78 C ; les vapeurs d éthanol vont passer dans le tube réfrigérant et se liquéfier car celui-ci est maintenu froid à l aide d une circulation d eau. Au bout du tube réfrigérant, on récupérera l éthanol contenu dans le vin. L eau, en revanche, restera sous forme liquide dans le ballon car 80 C est une température inférieure à sa température d ébullition, 100 C. Ainsi, nous aurons séparé l eau de l alcool dans le vin. Dans la pratique, cette séparation n est jamais «parfaite» et il faut procéder à plusieurs distillations consécutives pour obtenir de l alcool de plus en plus pur. Les techniques traditionnelles de fabrication de l eau de vie sont basées sur ce principe. Si l on pratique la distillation d une eau minérale, on obtiendra une eau quasiment pure, débarrassée de la plupart de ses minéraux. L expérience fonctionne également avec de l eau salée.

7 LA MATIÈRE 3. PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DES GAZ 3.1. L air que nous respirons L air que nous respirons est un mélange de gaz, dont la composition est la suivante : Gaz Proportion (en volume) Diazote 78 % Dioxygène 21 % Autres (argon, dioxyde de carbone, dihydrogène, ozone), etc. 1 % 37 Quand il y a dans l air une quantité trop importante de certains de ses constituants (oxydes de soufre, oxydes d azote, ozone, fines particules...), on dit que l air est «pollué». La pollution peut entraîner des problèmes de santé, par exemple au niveau respiratoire. La couche de gaz qui entoure la Terre s appelle l atmosphère. Celle-ci est divisée en plusieurs parties, en fonction de l altitude. Sa composition dépend de l altitude, tout comme la température et la pression. (@DOC. Coupe atmosphérique) L atmosphère est responsable d un phénomène bien connu : l effet de serre. En effet, elle agit comme un «bouclier» pour certains des rayonnements provenant de la Terre, ce qui permet de maintenir la température moyenne de notre planète à une valeur de 15 C alors que s il n existait pas, elle serait de -18 C. Toutefois, une accumulation trop importante de gaz à effet de serre, comme le dioxyde de carbone, dans l atmosphère terrestre, engendre un réchauffement aux conséquences parfois néfastes.

8 LA MATIÈRE PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DES GAZ L air qui nous entoure exerce sur tous les corps avec lesquels il est en contact, une pression appelée pression atmosphérique (@GL.) dont la valeur moyenne est de hpa (ou 760 mm de mercure). Si la valeur de la pression atmosphérique est inférieure à hpa, on parle de système dépressionnaire (qui accompagne généralement du mauvais temps) ; si elle est supérieure à hpa, il s agit d un anticyclone (temps sec). La pression atmosphérique se mesure avec un baromètre (@GL.). Nous avons vu que sa valeur dépendait des conditions météorologiques, elle dépend également de l altitude : la pression atmosphérique diminue quand l altitude augmente L effet de serre L atmosphère est responsable d un phénomène bien connu : l effet de serre. Grâce à celui-ci, la température moyenne de la Terre est de 15 C alors que, sans lui, elle serait probablement négative. Le principe de l effet de serre est détaillé dans le schéma suivant : en produit aussi. Par exemple, l utilisation massive de combustibles fossiles (pétrole, gaz, charbon ) induit une augmentation de la teneur en dioxyde de carbone de l atmosphère. Les activités agricoles, quant à elles, produisent des quantités importantes de méthane et de protoxyde d azote. Les climatologues prévoient une augmentation de la température moyenne du globe entre 1,5 C et 6 C à l horizon 2100, ce qui pourrait avoir pour conséquence une profonde modification de la physionomie de notre planète. Parmi les conséquences du réchauffement climatique, on peut citer l élévation du niveau des mers, des modifications du climat et des courants marins La faune et la flore seraient donc également affectées. Il est donc urgent de limiter la production de gaz à effet de serre L air a-t-il un volume propre? Une masse? Un litre d air, sous une pression normale, à une température de 0 C, possède une masse de 1,29 gramme environ. À 20 C, cette valeur est légèrement inférieure, de l ordre de 1,2 gramme. (@DOC. L air a-t-il une masse?) 38 L air est donc de la matière et il en est de même pour tous les gaz. Toutefois, la masse d un litre de gaz dépend de la nature du gaz, par exemple celle du dioxyde de carbone, à 20 C, est de 1,9 gramme. Considérons maintenant l expérience suivante : on prend une seringue contenant une certaine quantité d air et on la relie à un manomètre (appareil servant à mesurer la pression de l air à l intérieur de la seringue). Si l on appuie sur le piston, on diminue le volume offert à cet air, on dit qu on le comprime. Cette compression s accompagne d une augmentation de la pression ; au niveau microscopique, les molécules constituant l air se rapprochent. Si l on tire maintenant sur le piston, on augmente le volume offert à l air, ce qui s accompagne d une 39 Une partie du rayonnement émis par le Soleil parvient jusqu à la Terre (l autre partie étant réfléchie ou absorbée par l atmosphère), provoquant ainsi un réchauffement de la surface terrestre. Le sol restitue une partie de l énergie solaire ainsi reçue sous forme de rayonnement infrarouge (@GL.), en direction de l atmosphère. Les gaz à effet de serre absorbent ces infrarouges, ce qui provoque un réchauffement de l atmosphère. Cette chaleur est ensuite réémise vers la Terre sous forme de rayonnement et provoque son réchauffement par effet de serre. Les principaux gaz à effet de serre sont la vapeur d eau (sa contribution au phénomène est estimée à environ 60 %), le dioxyde de carbone (26 %), l ozone, le méthane et le protoxyde d azote. La plupart des gaz à effet de serre sont d origine naturelle mais l activité humaine diminution de sa pression. Ainsi, on en déduit que les gaz sont compressibles et expansibles. Ils occupent tout le volume qui leur est offert. (@AI. Expansibilité des gaz)

9 LA MATIÈRE 4. LES DÉCHETS : RÉDUIRE, RÉUTILISER, RECYCLER Le volume des déchets ménagers ne cesse d'augmenter. Selon le rapport du Commissariat au Plan, les trois quarts des départements français ne pourront bientôt plus faire face au traitement de leurs ordures (données 2003) Les déchets ménagers Constitution et quantité 41 Un français rejette environ 500 kg de déchets par an. Aux USA, ce sont plus de 800 kg de déchets par habitant et par an alors qu en Côte d'ivoire, ce chiffre ne s élève qu à 18 kg. Chaque année, on doit donc trouver, en France, une destination pour 26 millions de tonnes de déchets. Nos poubelles sont constituées à 2 % de textiles, 6 % de métaux, 10 % de matières plastiques, 12 % de verre, 15 % d'éléments fins et divers, 25 % de matières organiques et 30 % de papiers et cartons. Les emballages représentent à eux seuls un tiers du poids de nos poubelles et la moitié de leur volume Conséquences Ce trop-plein d ordures entraîne le débordement des décharges autorisées qui ne peuvent plus remplir leurs fonctions 4 mais également l'apparition de décharges illégales (leur nombre est estimé à en France). La filière du recyclage est totalement «débordée». 4 La loi de 1992 sur les déchets stipulait qu à partir de juillet 2002, on ne pourrait mettre en décharge que les déchets «ultimes», c est-à-dire ceux qui ne peuvent pas être valorisés.

10 LA MATIÈRE LES DÉCHETS : RÉDUIRE, RÉUTILISER, RECYCLER Ces déchets provoquent diverses pollutions (pollution des sols, des rivières, de l air par les matières chimiques et organiques qu ils contiennent). Pour résoudre le problème des déchets ménagers, il est nécessaire de jouer sur plusieurs tableaux : réduire leur production à la source (notamment en diminuant la quantité d emballages), développer le tri sélectif et le recyclage mais aussi construire de nouveaux sites de traitement des déchets «ultimes» Limitation des déchets Mieux consommer est un enjeu de notre temps. Les citoyens sont ainsi incités par les associations de consommateurs et des actions gouvernementales ou européennes 5 à acheter des produits comportant moins d'emballages et recyclables, à ne pas utiliser des produits jetables Pourtant, la pression des entreprises marchandes est telle que la société de consommation ne semble pas encore prête à totalement changer Les déchets industriels Ce sont les déchets produits par l industrie, le commerce, l artisanat et les transports. On distingue ainsi : - les déchets industriels banals (DIB) : ce sont des déchets ne présentant pas de caractère toxique ou dangereux. Leur manutention ou leur stockage ne nécessitent donc pas de précaution particulière (ex : déchets de fabrication textile, bois, emballages, palettes, déchets d entretien, ). Ils sont triés, collectés et traités comme les déchets des particuliers ; - les déchets dangereux : ils nécessitent des modalités particulières de collecte et de traitement car ils peuvent contenir des éléments polluants. Exemples : huiles usagées, piles, accumulateurs, amiante, déchets cyanurés, solvants, boues industrielles Environ la moitié de ces déchets est traitée par les producteurs eux-mêmes (traitement dit «interne») ; - les déchets des chantiers «bâtiment» et «travaux publics» : il s agit des déchets de construction, de déblais Ils sont principalement enfouis ou utilisés en remblais Valorisation des déchets Un déchet recyclable est un déchet que l on utilise et que l on transforme pour fabriquer de nouvelles matières ou de nouveaux produits. Le verre est réduit en poudre puis refondu ; c'est le seul déchet recyclable à l'infini. Le papier, le carton, les briques alimentaires permettent de fabriquer du papier recyclé. Une tonne de carton recyclée permet d'épargner 2,5 tonnes de bois. Il faut environ 2 arbres et litres d eau pour fabriquer 100 kg de papier alors que la fabrication du papier recyclé utilise 2 fois moins d eau et 3 fois moins d énergie. Avec 100 kg de papier recyclé, on peut fabriquer 90 kg de papier neuf et ce, à moindre coût. Les flaconnages plastiques permettent, selon leur qualité, de produire à nouveau des emballages plastiques, des tuyaux, des isolants Les métaux sont également recyclés (le recyclage d'une tonne d'acier fait économiser une tonne de minerai de fer). Cette gestion des déchets industriels représente, cependant, un coût non négligeable pour les entreprises. Enfin, on peut noter qu'il existe des déchets issus de l'agriculture, comme le lisier, qui peuvent entraîner des pollutions importantes s'ils ne sont pas correctement traités (cf. pollution de l'eau). L augmentation de la population mondiale, du niveau de vie et de la façon de consommer sont autant de facteurs qui influent sur la production de déchets. L homme en a pris conscience et tente actuellement d agir en limitant la quantité de déchets produits et en recyclant. Cela participe au développement durable qui passe par l éducation des populations. 43 Un déchet vert est un déchet végétal que l on peut composter (@GL.) pour fabriquer un produit semblable au terreau, le compost. Les déchets verts peuvent être portés dans les déchetteries ou transformés chez les particuliers. Un déchet biodégradable est un déchet qui se dégrade naturellement. Un déchet toxique est un déchet dangereux pour la santé des êtres vivants. Pistes pour une démarche d investigation - Pourquoi la flaque qui était dans la cour hier n est-elle plus là? - L air a-t-il une masse? - Peut-on dissoudre autant de sucre que l on veut dans un verre d eau? - Une eau limpide est-elle forcément pure? - L eau est-elle toujours liquide? Les autres déchets qui ne peuvent être valorisés sont incinérés, ce qui permet de produire de l'énergie (chauffage, ). N oubliez pas de consulter (@BIB. sur «La matière». Les déchets ménagers spéciaux (piles, batteries, appareils électroménagers ) doivent être collectés afin d'être traités de manière adéquate. Des entreprises spécialisées peuvent ainsi récupérer les métaux et valoriser le nickel, le cadmium, le zinc, le plomb De même, les déchets hospitaliers doivent être traités par des filières spécifiques. 5 Une semaine européenne de la réduction des déchets a, par exemple, eu lieu en novembre 2009.

11 UNITÉ ET DIVERSITÉ DU MONDE VIVANT 1. DE L ORDRE DANS LE MONDE VIVANT À l école, une des idées importantes à transmettre aux élèves est que notre environnement est composé à la fois d éléments non-vivants (éléments minéraux comme les roches, l air et l eau) et d êtres vivants. Un être vivant est formé d une ou plusieurs cellules, et il est capable de se nourrir, de se développer et de se reproduire : ce sont ces caractéristiques qui le distinguent du non-vivant. 45 Le monde vivant présente une grande richesse de formes de vies. Pourtant, des organismes très différents au premier abord peuvent posséder de nombreux points communs dans leur organisation externe ou interne. Les scientifiques utilisent d ailleurs ces ressemblances pour établir des classifications. Il existe donc une unité du monde vivant, malgré une apparente diversité. Dans un premier chapitre, nous montrerons cette unité du monde vivant, et nous verrons comment des classifications sont établies à partir des similitudes observées. Nous verrons ensuite la diversité du monde vivant à travers les modalités du développement et de la reproduction des êtres vivants. Nous terminerons cette partie en traitant de l évolution des espèces, qui permet d expliquer cette diversité et cette unité du monde vivant. De l ordre dans le monde vivant Il existe sur notre planète une très grande diversité du monde vivant. Depuis longtemps, l Homme s est essayé à classer les êtres vivants (@GL.) en établissant des groupes d après des critères de ressemblances. Ces classifications ont évolué au cours du temps, au gré de nouvelles observations ou de nouvelles découvertes.

12 UNITÉ ET DIVERSITÉ DU MONDE VIVANT DE L ORDRE DANS LE MONDE VIVANT Une de ces premières classifications, toujours utilisée, consiste à distinguer les êtres vivants en plusieurs espèces (@GL.) Regrouper les êtres vivants en espèces Le premier critère spontanément utilisé pour regrouper des êtres vivants dans une même espèce est le critère de ressemblance. Cependant, ce critère ne suffit pas à lui seul. En effet, il existe bien souvent un dimorphisme sexuel entre les mâles et les femelles (ex : chez le paon, la femelle est différente du mâle, qui arbore un plumage coloré). Un autre critère essentiel à prendre en compte est le critère d interfécondité : deux individus appartenant à la même espèce sont capables de se reproduire entre eux, et leur descendance est fertile. Ce critère de fertilité de la descendance est important : chevaux et ânes sont capables de se reproduire entre eux, mais leurs descendants (mulets ou bardots) sont stériles. Ainsi, les chevaux et les ânes appartiennent bien à des espèces différentes Rechercher des ressemblances pour établir des classifications Entre espèces différentes, il existe aussi des ressemblances. Ce sont ces points communs qui permettent d établir des classifications. On peut prendre l exemple du groupe des vertébrés. On classe dans ce groupe les organismes suivants : - les poissons osseux (ex. : carpe, truite) ; - les poissons cartilagineux (ex. : requin, raie) ; - les amphibiens (ex. : grenouille, salamandre) ; - les lézards et serpents : les squamates (ex. : iguane, vipère) ; - les tortues ; - les crocodiliens (ex. : alligator, caïman) ; - les oiseaux (ex. : merle, autruche) ; - les mammifères (ex. : chat, homme). Tous ces animaux ont en commun la présence d un squelette interne, construit de manière similaire : une colonne vertébrale, un crâne, un bassin, des omoplates, des côtes, On définit donc une espèce comme étant un groupe d êtres vivants présentant des ressemblances, capables de se reproduire entre eux, et d avoir des descendants interféconds. L identification des espèces peut poser des difficultés, par exemple si ses représentants sont très polymorphes. C est le cas notamment chez les chiens : les différentes races canines appartiennent toutes à la même espèce, mais leur grande variabilité les fait parfois considérer, à tort, comme des espèces différentes. Les ressemblances sont aussi très marquées au niveau des pièces osseuses composant les membres locomoteurs. Malgré des différences liées au mode de vie, on retrouve toujours les mêmes os : - membre antérieur : humérus, radius et cubitus, phalanges ; - membre postérieur : fémur, tibia et péroné, phalanges. (@DOC. Membre antérieur d homme Membre antérieur de grenouille Membre antérieur de mésange Unité d organisation) 47 D autres sources de confusion liées au langage courant sont possibles : par exemple, le terme «grenouille» inclut en fait de très nombreuses espèces différentes. De plus, les genres masculins et féminins peuvent induire en erreur : la grenouille et le crapaud ne sont pas les femelles et les mâles d une même espèce. D autres erreurs peuvent survenir du fait de l existence de formes larvaires et de formes adultes : il s agit bien d individus de la mêmes espèce, mais présentant des formes différentes au cours de leur vie. À ce jour, on a décrit 1,7 millions d espèces. On estime, cependant, le nombre d espèces dans le monde entre 13 et 14 millions. C est dans le groupe des insectes que l on compte le plus grand nombre d espèces. Tous les vertébrés possèdent aussi un système nerveux en position dorsale, et ce système nerveux est composé de deux éléments essentiels : le cerveau (ou encéphale) protégé par le crâne, et une moelle épinière protégée par la colonne vertébrale. (@DOC. : Le système nerveux) Ces profondes ressemblances ne peuvent être dues au hasard. Elles témoignent de liens de parenté entre ces différents groupes, qui ont donc une origine commune. Ils proviennent d une même espèce ancestrale, qui leur a légué ces ressemblances. En recherchant des ressemblances, on peut donc classer les êtres vivants selon leurs relations de parenté.

13 UNITÉ ET DIVERSITÉ DU MONDE VIVANT UNITÉ ET DIVERSITÉ DU MONDE VIVANT 1.3. Classer les espèces selon leurs relations de parenté Le principe est de comparer les espèces pour rechercher des ressemblances traduisant une parenté. Cependant, certaines ressemblances sont de simples convergences de forme : par exemple, la chauve-souris et la mouche ont des ailes, mais cette ressemblance est liée au mode de locomotion de ces animaux. Leurs ailes ne sont pas du tout construites de la même manière (on parle d analogies (@GL.)). 2. LES MODES DE REPRODUCTION DES ÊTRES VIVANTS On doit donc identifier des points communs qui traduisent une réelle parenté entre les organismes : des homologies (@GL.), ou «critères de parenté». Ce sont généralement des organes présentant la même architecture, et la même origine embryonnaire (comme par exemple les membres locomoteurs des vertébrés, formés des mêmes os, et construits à partir des mêmes structures embryonnaires). 48 On réunit ensuite dans un même groupe les espèces qui possèdent des critères de parenté communs. Les relations de parenté sont représentées sous la forme d arbres de parenté, ou «arbres phylogénétiques». (@DOC. Classification phylogénétique des animaux ) La reproduction permet d obtenir de nouveaux individus, afin d assurer la pérennité de l espèce. On distingue deux modes de reproduction : la reproduction sexuée (@GL.) et la reproduction asexuée (@GL.). 49 On indique sur les branches de cet arbre les critères partagés (critères de parenté communs). On aboutit ainsi à une classification des êtres vivants, basé sur leurs liens de parenté (classification phylogénétique). Elle indique «qui est plus proche de qui» en terme de parenté dans le monde vivant, et donne ainsi un aperçu de l histoire évolutive des êtres vivants. La classification phylogénétique présente quelques différences avec les anciennes classifications. Le groupe des poissons n existe plus en tant que tel car il regroupait divers organismes en réalité très peu apparentés : on distingue donc maintenant les poissons osseux et les poissons cartilagineux. Il en est de même pour le groupe des reptiles, qui a été éclaté en trois groupes : squamates (lézards et serpents), tortues et crocodiliens. Ces derniers sont d ailleurs très étroitement apparentés aux oiseaux (ces deux groupes ont une origine commune) Reproduction sexuée et reproduction asexuée La reproduction sexuée fait intervenir deux individus de sexes différents, appartenant à la même espèce, et elle implique une fécondation (@GL.) : l union d une cellule sexuelle mâle et d une cellule sexuelle femelle, pour former une cellule œuf (@GL.) à partir de laquelle on obtiendra un nouvel individu. Chez les animaux, ainsi que la plupart des exemples végétaux que nous étudierons ici, les cellules sexuelles sont des cellules spécialisées appelées gamètes (@GL.). Juste avant la fécondation, plusieurs gamètes mâles sont amassés autour du gamète femelle, mais un seul et unique gamète mâle s unit avec le gamète femelle. La reproduction asexuée (ou multiplication végétative (@GL.)) ne fait intervenir qu un seul individu. Il donnera naissance à un ou plusieurs individus. Ce mode de reproduction ne fait pas intervenir de fécondation, et donc de cellule œuf. Grâce à des phénomènes génétiques complexes, les individus issus de la reproduction sexuée sont génétiquement différents de leurs parents : cela est particulièrement visible pour l espèce humaine, mais existe aussi pour tous les autres individus à reproduction sexuée.

14 UNITÉ ET DIVERSITÉ DU MONDE VIVANT LES MODES DE REPRODUCTION DES ÊTRES VIVANTS Par contre, la reproduction asexuée engendre des «clones» : c est-à-dire des individus qui sont génétiquement identiques entre eux, et à l individu qui les a engendrés. Il est important de noter que la reproduction asexuée n exclut pas la reproduction sexuée : les êtres vivants peuvent présenter les deux modalités de reproduction Modalités de la reproduction sexuée chez les animaux comportements favorisent le rapprochement des deux partenaires, donc l accouplement. Certaines espèces à fécondation externe présentent aussi des comportements pour faciliter la rencontre des gamètes : on peut citer le cas de grenouilles ou de poissons dont la parade permet la libération simultanée des gamètes, augmentant ainsi leur chance de rencontre Différents types de reproduction selon les modalités de développement de la cellule œuf 50 Les gamètes sont produits par les organes reproducteurs appelés testicules et ovaires. Hormis quelques cas particuliers tel que l hermaphrodisme (ex : escargot), testicules et ovaires sont portés par des individus différents : - les testicules produisent les gamètes mâles, ou spermatozoïdes (@GL.) ; - les ovaires produisent les gamètes femelles, ou ovocytes (@GL.). NB : par abus de langage, on emploie parfois le terme d ovule pour désigner l ovocyte. Cependant, au sens strict, l ovule (@GL.) désigne le tout dernier stade de maturation d un ovocyte. Les types de reproduction diffèrent selon les modalités de rencontre des gamètes, et selon les modalités de développement de la cellule œuf obtenue Différents types de reproduction selon les modalités de rencontre des gamètes On distingue des organismes à fécondation externe (@GL.) et des organismes à fécondation interne (@GL.). Fécondation interne : les gamètes mâles sont émis dans les voies génitales femelles, où ils rencontreront les ovocytes. Ce mode de fécondation implique généralement un accouplement. On trouve généralement ce type de fécondation chez les espèces vivant en milieu terrestre. On la rencontre chez les mammifères (même les mammifères aquatiques), les oiseaux, les reptiles ou les insectes. On distingue des organismes vivipares (@GL.) et des organismes ovipares (@GL.). Chez les organismes ovipares, la cellule œuf est émise dans le milieu extérieur, où elle va se diviser pour former un embryon. On appelle œuf (@GL.) ces éléments formés dans le milieu ou émis par les femelles ovipares, renfermant d abord la cellule œuf, puis l embryon qui en sera issu. Des systèmes de protection permettent de préserver l embryon en cours de formation : - une gangue gélatineuse, par exemple chez les amphibiens ; - une enveloppe plus ou moins souple, chez les insectes ou autres invertébrés ; - une coquille à base de calcaire, qui peut rester souple (reptiles) ou être rigide (oiseaux). La nutrition de l embryon est assurée par des réserves stockées au préalable dans la cellule œuf. Par exemple, dans l œuf de poule, le «jaune» est la cellule œuf gorgée de réserves nutritives. Chez les organismes vivipares, la cellule œuf se développe dans les voies génitales de la mère. C est le cas des mammifères. L embryon obtenu à partir de la cellule œuf va s implanter dans l utérus et s y développer. La nutrition de l embryon est assurée par des échanges entre le sang de la mère et le sang de l embryon. Hormis le cas des mammifères de type marsupiaux (avec poche ventrale, comme les kangourous), ces échanges se font grâce à un organe spécialisé : le placenta (@GL.). (@DOC. Embryon se développant dans l utérus de sa mère) 51 Fécondation externe : les gamètes sont émis dans le milieu extérieur, dans l eau pour la grande majorité des cas. On rencontre généralement ce type de fécondation chez les espèces aquatiques. Il n y a pas d accouplement, et les gamètes libérés vont se rencontrer au gré du hasard dans ce point d eau puis ils vont s unir. Les gamètes sont émis en très grande quantité pour optimiser leurs chances de rencontre. La fécondation, donc la rencontre des gamètes, peut être facilitée par des comportements sexuels (parades nuptiales). Chez les espèces à fécondation interne, ces Il existe un autre cas de figure un peu particulier : l ovoviviparité. Dans ce cas, les œufs ne sont pas pondus mais se développent dans les voies génitales de la mère. L embryon puise dans les réserves nutritives stockées initialement dans la cellule œuf et n entretient aucun échange avec l organisme maternel. Après éclosion, les jeunes sont expulsés des voies génitales de la mère. On rencontre ce type de développement très particulier chez les requins, les guppy (poissons d aquarium), les vipères et les pucerons. (@AI. QCU reproduction animale)

15 UNITÉ ET DIVERSITÉ DU MONDE VIVANT LES MODES DE REPRODUCTION DES ÊTRES VIVANTS 2.3. Modalités de la reproduction sexuée chez les plantes à fleurs Les organes reproducteurs des plantes à fleurs L autopollinisation est possible chez ces plantes, puisque le pollen d une fleur peut féconder le pistil de la même fleur. Il peut aussi se déposer sur le pistil d autres fleurs de la plante. 52 Les fleurs sont les organes reproducteurs des plantes à fleurs. Elles possèdent quatre ensembles de pièces florales : - les sépales, dont l ensemble constitue le calice de la fleur ; - les pétales, dont l ensemble constitue la corolle de la fleur ; - les étamines (@GL.), dont l ensemble constitue l appareil reproducteur mâle (ou androcée) ; - le pistil (@GL.), qui correspond à l appareil reproducteur femelle (aussi appelé gynécée (@GL.)). Seuls le pistil et les étamines sont les pièces fertiles d une fleur. (@DOC. Schéma d une fleur et de ses organes reproducteurs vus en coupe) L anthère des étamines est une sorte de sac dans lequel les grains de pollen sont fabriqués. À maturité, l anthère s ouvre et libère le pollen, sous la forme d une fine poudre jaunâtre (chaque grain de pollen est composé de deux cellules). Au moment de la fécondation, chaque grain de pollen pourra produire deux gamètes mâles. Le pistil est composé d un ovaire renfermant des ovules. Ces termes ont été donnés par analogie aux animaux, mais ne correspondent pas tout à fait aux structures rencontrées chez ces derniers. En effet, les ovules sont ici des organes renfermant chacun un gamète femelle (appelé ici oosphère (@GL.). L ovaire est surmonté d une partie allongée, le style, terminé par des stigmates gluants, capables de retenir le pollen. Pour que la fécondation ait lieu, les grains de pollen d une espèce doivent atteindre le stigmate d une fleur de la même espèce. Selon les modalités mises en œuvre, on distingue plusieurs types de pollinisation, donc de reproduction chez les plantes à fleurs. (@AI. La reproduction végétale) Les différents types de pollinisation On distingue deux modes de pollinisation : - la pollinisation croisée (@GL.) : le pollen d une plante vient se déposer sur le stigmate d une fleur d une autre plante ; - l autopollinisation (@GL.) : le pollen d une plante vient se déposer sur le stigmate d une fleur de la même plante. La plupart des espèces ont des fleurs dotées des deux types d appareils reproducteurs : ce sont des plantes à fleurs bisexuées. Exemples : rose, pommier, bouton d or, lys... La pollinisation croisée est également réalisable, et elle est même la seule à intervenir chez de nombreuses espèces : il existe, en effet, des mécanismes empêchant l autofécondation pour favoriser les échanges génétiques entre individus différents. D autres espèces possèdent des fleurs exclusivement mâles et des fleurs exclusivement femelles, coexistant sur la même plante. Ce sont des plantes monoïques (GL.). Exemples : maïs, chêne, bouleau... Ici aussi, l autopollinisation est possible, mais bien souvent, c est la pollinisation croisée qui est de règle. Il existe aussi des espèces avec des plantes portant uniquement des fleurs femelles, et des plantes portant uniquement des fleurs mâles. Ce sont des plantes dioïques (@GL.). Exemples : kiwi, dattier, peuplier, gui... Dans ce cas-là, la pollinisation croisée est la seule possible. (@AI. La pollinisation) Pour réaliser une pollinisation croisée, un vecteur doit transporter le pollen d une plante à une autre. Ce transport s effectue généralement par le vent ou les insectes Le déroulement de la fécondation Dans un premier temps, des grains de pollen d une espèce doivent se déposer sur le stigmate d une fleur de la même espèce. Un tube émerge alors de chaque grain de pollen : c est le tube pollinique. Le tube pollinique s introduit dans le stigmate et s allonge ensuite tout le long du style pour parvenir finalement dans l ovaire. Chaque tube pollinique peut alors pénétrer dans un ovule et y injecter deux gamètes mâles. Un des deux gamètes mâle s unit avec le gamète femelle : c est la fécondation, qui donne naissance à une cellule œuf. (@DOC. Déroulement de la fécondation chez une plante à fleur) Suite à la fécondation, la fleur va se transformer : - certaines parties de la fleur (généralement l ovaire) vont se charger de réserves nutritives et former le fruit ; - chaque ovule fécondé va former une graine (@GL.) ; - au sein de chaque graine, la cellule œuf va commencer à se diviser pour former un embryon. 53

16 UNITÉ ET DIVERSITÉ DU MONDE VIVANT LES MODES DE REPRODUCTION DES ÊTRES VIVANTS La fécondation d une fleur conduit donc à la formation d un fruit, renfermant une ou plusieurs graines (appelées aussi pépins chez certaines espèces, et protégées dans un noyau chez d autres espèces). Chaque graine contient un embryon, qui donnera une nouvelle plante lors de la germination. Des réserves nutritives sont aussi stockées dans la graine par la plante mère. Elles serviront à nourrir l embryon au moment de la germination. Remarque : chez les plantes sans fleurs (comme les fougères par exemple), la reproduction peut faire intervenir des spores. Exemple : les tubercules de la pomme de terre. Les tubercules de pomme de terre sont des organes de réserves (voir chapitre sur les stades de développement). La plante fabrique de nombreux tubercules, et chacun d entre eux est capable de donner une nouvelle plante. Ainsi, à partir d une seule plante mère, on peut obtenir de nombreux plants génétiquement identiques. Ce mode de reproduction est si efficace que pour produire des pommes de terre, on ne sème pas les graines : on met en terre des tubercules, qui, en quelques semaines, produiront une nouvelle plante et de nombreux autres tubercules Exemples chez les animaux Chez les animaux, la reproduction asexuée est peu répandue. 54 (@DOC. Comparaison de la reproduction d une plante à fleurs et d une fougère) 2.4. Modalités de la reproduction asexuée à travers quelques exemples Exemples chez les plantes à fleurs La reproduction asexuée s effectue à partir d organes spécialisés, ou de simples fragments de tiges ou de feuilles. Il peut s agir d un bourgeonnement d un individu comme chez l hydre d eau douce. Ce bourgeon se détache de l animal et donne un nouvel individu. Lorsque le bourgeon reste accroché à l organisme initial et se développe, il se forme des colonies : c est le cas, par exemple, des coraux. On peut aussi citer le cas de la fragmentation de l individu, comme certains vers : si l animal est coupé en deux, chaque moitié est capable de régénérer la partie qui lui manque, et donne un nouvel individu à part entière. 55 Ce mode de reproduction présente un fort avantage pour les végétaux qui le pratiquent, car il permet de coloniser rapidement le milieu de vie. Reproduction asexuée sans organes spécialisés Exemple : les stolons (@GL.) des fraisiers. Les stolons sont les tiges sans feuilles qui s étendent depuis un plant de fraisier. Lorsque cette tige arrive en contact avec le sol, elle forme des racines et donne un nouveau plant de fraisier. On appelle marcottage la technique consistant à couper les stolons pour séparer du plant initial les nouveaux plants formés. (@DOC. Reproduction asexuée par des stolons chez le fraisier) La parthénogenèse (@GL.) est un mode de reproduction asexuée particulier car faisant appel aux cellules sexuelles femelles (gamètes femelles ou ovocytes) : ce processus consiste à former un nouvel individu à partir d un ovocyte, sans qu il y ait eu fécondation. Ce type de reproduction permet d obtenir de nombreux individus, sans l intervention des mâles. On rencontre la parthénogenèse chez des insectes (abeilles, pucerons, phasmes) ou même chez quelques amphibiens et reptiles. Exemple : le bouturage chez le géranium. Le bouturage consiste à obtenir une nouvelle plante, à partir d un fragment d une autre plante. Chez le géranium, on utilise une tige que l on plante en terre ou que l on place dans un récipient rempli d eau : la tige forme alors des racines et donne un nouvel individu, identique à la plante initiale. Reproduction asexuée avec organes spécialisés

17 UNITÉ ET DIVERSITÉ DU MONDE VIVANT 3. LES STADES DE DÉVELOPPEMENT DES ÊTRES VIVANTS 3.1. Les stades du développement chez les animaux Le développement d un individu s inscrit dans une histoire ayant un début (la formation de la cellule œuf) et une fin (la mort de l individu). Entre ces deux étapes, on peut repérer cinq phases essentielles : le développement embryonnaire, la naissance de l individu, son développement post-embryonnaire, le passage à l âge adulte (acquisition de la capacité à se reproduire, ou maturité sexuelle) et le vieillissement. 57 Dans le cadre de ce chapitre, nous nous intéresserons plus particulièrement au développement post-embryonnaire de l individu. Pour cela, nous comparerons les modalités de ce développement chez plusieurs types d organismes Comparaison du développement de plusieurs animaux Chez de nombreux organismes comme la souris, l homme ou l escargot, le développement est direct (@GL.) : le petit ressemble à l adulte (on lui donne le nom de jeune) et il n y a donc aucune modification importante de forme au cours de la vie. D autres organismes comme les amphibiens et la grande majorité des insectes, ont un développement indirect (@GL.) : les petits, à la naissance, sont plus ou moins différents de l adulte. Ce sont des larves, qui devront subir une métamorphose (@GL.) pour obtenir leur aspect définitif et donner un individu adulte.

18 UNITÉ ET DIVERSITÉ DU MONDE VIVANT LES STADES DE DÉVELOPPEMENT DES ÊTRES VIVANTS 58 On distingue deux types de métamorphoses, donc deux types de développement indirect : - le développement indirect à métamorphose incomplète (@GL.) : malgré des différences, les larves ressemblent quelque peu à l adulte. Leurs transformations s effectuent progressivement tout au long du développement ; Exemple : criquet, sauterelle, phasme... - le développement indirect à métamorphose complète (@GL.) : les larves sont radicalement différentes de l adulte, et vont se transformer de manière marquée durant une étape bien précise du développement. Exemple : grenouille, papillon, mouche... (@AI. Cycle de développement des insectes) Remarque : chez les insectes présentant une métamorphose complète, l étape durant laquelle la métamorphose a lieu s appelle le stade nymphal. Il s agit d un stade de repos apparent : l individu, appelé nymphe (@GL.), présente très peu ou pas d activité, est généralement immobile et vit sur ses réserves, alors que de profondes transformations s opèrent. La nymphe porte des noms différents selon les organismes étudiés : on parle, par exemple, de «chrysalide» (@GL.) pour les nymphes se protégeant d un cocon (ex. : chez les papillons), ou de «pupe» (@GL.) pour les nymphes se protégeant d une coque rigide (ex. : chez les mouches). (@DOC. Comparaison du développement de quatre animaux) Qu il soit de type direct ou indirect, le développement inclut une phase importante de croissance (@GL.). - la croissance discontinue (@GL.) : l augmentation de taille s effectue à certaines périodes seulement, ce qui donne une courbe de croissance présentant des paliers successifs. (@DOC. Croissance continue et croissance discontinue) La croissance discontinue se rencontre chez les animaux dotés d un revêtement cutané rigide. C est le cas, par exemple, chez les insectes et les crustacés, dont le corps est recouvert d une cuticule : une enveloppe fine et rigide qui protège le corps, et permet de le soutenir (en ce sens, c est un véritable squelette externe). La rigidité de la cuticule s oppose à une croissance continue. L animal doit donc s en débarrasser durant une courte période, période durant laquelle une phase de croissance aura lieu. On appelle mue cette phase où l animal abandonne sa cuticule. Il en fabriquera ensuite une autre, adaptée à sa nouvelle taille. Ainsi, les périodes de croissance sont cantonnées aux périodes de mues et de fabrication de la nouvelle cuticule, ce qui explique les paliers successifs dans la courbe de croissance. La croissance continue se rencontre au contraire chez les animaux dont le revêtement cutané n est pas rigide. Ainsi, la croissance peut se réaliser progressivement. Comme le revêtement cutané se renouvelle en permanence, il s adapte au fur et à mesure de la croissance. (Remarque : chez certains animaux comme les serpents, la croissance est continue, mais ce n est pas le cas pour le renouvellement cutané. Lorsque l animal a trop grandi et que sa peau est devenue trop exiguë, elle se déchire et se détache : on parle là aussi de mue, mais il s agit d un phénomène différent de celui évoqué lors des croissances discontinues des insectes et des crustacés). 59 La croissance est une augmentation de masse de matière, qui se traduit par une augmentation irréversible de la taille et/ou de la masse corporelle. Chez les animaux, elle est surtout présente de la naissance à l âge adulte. Elle s arrête alors et l individu cesse de grandir. On dit que la croissance des animaux est «définie» (@GL.) (contrairement aux végétaux qui ont une croissance «indéfinie» (@GL.), qui se poursuit tout au long de leur vie ). On distingue plusieurs modes de croissance, que nous allons présenter dans le paragraphe suivant. TABLEAU RÉCAPITULATIF Développement DIRECT INDIRECT métamorphose Métamorphose complète Métamorphose incomplète croissance continue discontinue continue discontinue continue discontinue exemples Souris Homme Escargot Collembole* Grenouille Papillon Mouche Sauterelle Phasme Les différents modes de croissance chez les animaux * Collembole = petit insecte primitif sans ailes, vivant dans le sol. On distingue deux modes de croissance : - la croissance continue (@GL.) : l augmentation de taille est progressive, sans paliers ou interruption, depuis la naissance jusqu à l âge adulte ;

19 UNITÉ ET DIVERSITÉ DU MONDE VIVANT LES STADES DE DÉVELOPPEMENT DES ÊTRES VIVANTS 3.2. Les stades du développement chez les végétaux La croissance de la plantule 60 Chez les végétaux, la reproduction asexuée (ou multiplication végétative) est assez fréquente : le bouturage permet, par exemple, d obtenir un nouvel individu identique au premier. Pour étudier le développement des végétaux, nous nous limiterons, cependant, à la reproduction sexuée des plantes à fleurs. Le développement de l individu aura donc pour point de départ la graine De la graine à la plante La graine est un organe issu de la fécondation (voir le chapitre «reproduction des êtres vivants» pour plus de détail). Elle renferme un embryon, formé à partir de la cellule œuf, et des tissus de réserves nutritives (les cotylédons). L ensemble est protégé par une enveloppe appelée tégument. C est l embryon contenu dans la graine qui sera à l origine d une nouvelle plante, après une phase de germination. Toutefois, ce processus n intervient pas immédiatement après la libération des graines. Il existe, en effet, une phase de dormance durant laquelle la germination est inhibée. L embryon mène une vie ralentie et la graine peut se conserver plusieurs années. La dormance est généralement levée grâce à des facteurs de l environnement, comme une exposition prolongée au froid (longue exposition au froid hivernal par exemple). Lorsque la dormance a disparu, la germination intervient si les conditions du milieu sont favorables : - humidité suffisante ; - température adéquate ; - présence d oxygène. L embryon se développe et grandit en puisant dans les réserves contenues dans la graine. Il se forme de petites racines (radicules) et une petite tige (tigelle, pourvue des premières feuilles), qui percent le tégument de la graine et s allongent. Durant la germination, cette jeune plante (ou plantule) ne réalise pas encore la photosynthèse (@GL.) pour subvenir à ses besoins nutritifs : elle utilise uniquement les réserves stockées dans la graine par la plante mère (voir le chapitre sur la nutrition des végétaux verts : les plantes vertes sont autotrophes (@GL.) grâce à la photosynthèse, mais elles sont hétérotrophes (@GL.) durant la phase de germination). Chez les végétaux, la croissance se produit durant toute la vie : elle est indéfinie (chez les animaux, elle est définie : limitée à une partie de la vie, allant de la naissance à l âge adulte). Une croissance indéfinie ne signifie pas que la plante est immortelle : elle va simplement continuer sa croissance jusqu à sa mort. Pour les plantes pérennes (ou vivaces) : la mort survient au bout de plusieurs années. Entre temps, la plante aura fleuri plusieurs fois et émis des graines dans son milieu de vie. Dans les zones tempérées, elle doit aussi affronter l hiver chaque année, et se maintenir malgré les conditions défavorables du milieu à cette saison. Certaines plantes vivaces se maintiennent en permanence au dessus du sol, même durant l hiver. C est le cas des arbres et des arbustes. La plupart des arbres perdent leurs feuilles et mènent ensuite une vie ralentie. Il s agit d une adaptation qui prévient la dessiccation durant cette saison, où les racines ne peuvent puiser l eau gelée du sol. D autres plantes vivaces disparaissent en surface durant l hiver et ne subsistent que sous la forme d un organe souterrain de réserve. À partir des réserves nutritives de cet organe, la plante pourra se reconstruire en surface lorsque les conditions redeviendront favorables. Elle formera un nouvel organe de réserve pour passer l hiver suivant. On distingue trois types d organes de réserve : - le bulbe (@GL.) : organe formé de feuilles modifiées serrées les unes contre les autres (ex. : ail, tulipe, jacinthes) ; - le rhizome (@GL.) : tige souterraine à croissance horizontale (ex. : iris, chiendent, muguet) ; - le tubercule (@GL.) : organe renflé, issu de la transformation de certains organes de la plante. On peut citer, par exemple, la pomme de terre (tubercules issus des extrémités de tiges) ou le dahlia (tubercule issu de la racine). (@DOC. Un rhizome d iris) Pour les plantes bisannuelles : la mort survient au bout de deux années. À la fin de la première année, la plante survit dans le sol durant la mauvaise saison, sous la forme d un organe souterrain de réserve. On peut citer, par exemple, l oignon (bulbe), la carotte et le radis (tubercule formé par la zone située entre la tige et la racine), ou encore la betterave à sucre (tubercule racinaire). À partir des réserves de cet organe, une plante pourra se former la deuxième année. Elle émettra des graines dans le milieu de vie, avant de disparaître (Remarque : on observe rarement cette floraison pour les plantes cultivées comme les carottes, puisqu on les retire de terre avant leur deuxième année pour consommer leur organe de réserve). 61

20 UNITÉ ET DIVERSITÉ DU MONDE VIVANT UNITÉ ET DIVERSITÉ DU MONDE VIVANT Pour les plantes annuelles : la mort intervient au bout d une année ou moins. Avant cela, la plante aura émis des graines dans le milieu de vie, assurant ainsi la pérennité de l espèce. Chez les arbres vivant dans des zones géographiques aux saisons bien marquées, la croissance est de type indéfinie et discontinue : elle est interrompue durant l hiver et reprend ensuite à la bonne saison. Ces arrêts saisonniers jalonneront toute la vie de l arbre. 4. L ÉVOLUTION DES ÊTRES VIVANTS Les autres plantes ont généralement une croissance indéfinie et continue : leur croissance s effectue en permanence jusqu à leur mort. (@DOC. Bilan : notion de cycle de développement Cycle de vie d une plante VF Cycle de développement) Les renseignements apportés par les fossiles Les fossiles sont des traces ou des restes d êtres vivants du passé. On les rencontre dans les roches sédimentaires et leur formation a nécessité des conditions bien particulières Quelques précisions sur la formation des fossiles La plupart du temps, seules les parties dures des organismes (squelettes, dents, coquilles,...) sont fossilisées, car les tissus mous ont déjà été décomposés. Cette fossilisation des parties dures implique, tout d abord, leur enfouissement rapide sous des sédiments. Lorsque les sédiments se transforment en roche, ces éléments sont conservés (ils peuvent ensuite subir des transformations : des minéralisations). Les parties dures peuvent aussi disparaître lors de la formation de la roche : il subsiste alors des cavités qui seront remplies plus tard par des minéraux : on obtient ainsi un moulage des éléments d origine. Si l enfouissement est très rapide et à l abri de l air, les parties molles peuvent parfois se conserver assez longtemps pour laisser une empreinte dans la roche, avant d être éliminées. Il existe aussi d autres cas de figure : - traces conservées dans la roche (ex. : empreintes de pas), car recouvertes rapidement par des sédiments ; - insectes pris dans l ambre ; - animaux congelés. (@DOC. Les étapes de la fossilisation d un squelette de poisson Les étapes de la fossilisation d une empreinte de pas de dinosaure) 63