Thème 1 La Terre dans l Univers, la vie et l évolution du vivant

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1 Thème 1 La Terre dans l Univers, la vie et l évolution du vivant Ce thème s inscrit dans la grande partie «La Terre dans l univers et l évolution de la vie». On étudie ici les différents aspects des échanges d énergie et de matière entre une cellule et son environnement. Les couplages énergétiques constituent le fil conducteur de toute cette étude. Un couplage comprend un évènement cellulaire thermodynamiquement favorable, un évènement cellulaire thermodynamiquement défavorable, qui demande donc un apport d énergie pour se réaliser mais également un élément de couplage qui permet d associer ces deux événements. Dans ce thème, on étudiera successivement les couplages énergétiques lors de la photosynthèse (chapitre 1), lors de la respiration et de la fermentation (chapitre 2) et lors du fonctionnement de la cellule musculaire (chapitre 3). Ces trois chapitres reposent sur des acquis de Seconde où la photosynthèse a déjà été envisagée à l échelle de l organisme et de la planète. C est également en Seconde que les élèves ont envisagé la structure cellulaire, défini le métabolisme et que les bases moléculaires ont été posées. Nous avons choisi de découper ce thème en trois chapitres correspondant aux grands items du programme. Le chapitre 1 «la photosynthèse» se déroule en quatre activités. Il permet dans un premier temps d établir l équation bilan de ce phénomène, de comprendre que le chloroplaste est l organite clé ; Puis on envisage successivement la phase chimique et la phase photochimique que l on localise au sein du chloroplaste. On établit grâce à l ensemble des données de cette étude un schéma structural et fonctionnel du chloroplaste. Ce chapitre est déjà l occasion d envisager des molécules fondamentales du métabolisme cellulaire que sont l ATP et les transporteurs R. On comprend l importance de leur régénération permanente dans la cellule et leur importance dans les couplages énergétiques. Le chapitre 2 «la production d ATP dans les cellules» permet d étudier deux voies fondamentales du métabolisme cellulaire : la respiration et la fermentation. On limite notre étude aux cellules eucaryotes et à la dégradation avec ou sans dioxygène d une molécule de glucose. On étudie dans un premier temps la respiration et l organite clé impliqué qu est la mitochondrie. Les deux étapes de la dégradation oxydative du glucose, hyaloplasmique et mitochondriale, sont détaillées. On étudie dans un second temps, la dégradation d une molécule de glucose en l absence de dioxygène dans des cellules capables de réaliser la fermentation alcoolique ou la fermentation lactique. Les bilans sont établis et les rendements énergétiques de la respiration et de la fermentation sont établis. Le chapitre 3 «ATP et activité musculaire» permet d étudier les modalités de la contraction musculaire et les origines de l ATP nécessaire à cette contraction. La première partie de ce chapitre permet de comprendre l organisation d une fibre musculaire à l échelle moléculaire, dans le prolongement des acquis de seconde qui s arrêtaient à l échelle cellulaire. Elle permet de comprendre comment l ATP permet le glissement de filaments protéiques à l origine du raccourcissement de la cellule, donc sa contraction. La dernière partie de ce chapitre est l occasion d identifier l origine de l ATP NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Thème 1 1

2 musculaire en étudiant le métabolisme des fibres musculaires. C est également l occasion de montrer que ce métabolisme varie selon le type d exercice ou l entraînement. Ainsi, ces trois chapitres sont l occasion d aborder la notion de couplage énergétique et d illustrer l importance de l ATP dans la diversité des couplages permettant le fonctionnement d une cellule. RESSOURCES Ouvrages généraux et spécialisés Biologie, Campbell et Reeceb, De Boeck, Biologie moléculaire de la cellule, Alberts B. & coll., Flammarion Médecine- Sciences, éd (5 e édition). La cellule, Cooper G, De Boeck Université, Biologie cellulaire et moléculaire, Karp G, De Boeck, Biochimie et biophysique des membranes, Shechter E., Aspects structuraux et fonctionnels, Masson,1993. Introduction à la botanique, Ducreux G, Belin sup, Physiologie végétale, Hopkins, De Boeck, Anatomie et physiologie humaine, Marieb E.N, Pearson education, 2005 (8 e édition). Botanique, biologie et physiologie végétale Meyer, Reeb, Bosdeveix, Maloine, (2 e édition) Prat: Expérimentation en physiologie végétale, Hermann. 1994, + CD rom Biologie végétale, Raven, Evert et Eichhorn, De Boeck, Plant Physiology, Taiz and Zeiger, Sinauer, 3 e édition, Physiologie humaine, Vander et Coll, Maloine, 5 e édition, Biochemistry, Voet and Voet, Wiley, 2 nd edition, Articles et publications «De la graine à la plante», Dossier Pour la science, janvier «Sucrose as a product of photosynthesis in isolated Spinach Chloroplasts», Everson, Cockburn & Gibbs, Plant physiology, «The making of a photosynthetic animal», Rumpho, Pelletraeau, Mostafa et Bhattacharya, The journal of experimental biology, Août «The symbiotic chloroplasts in the sacoglossan Elysia clarki are from several algal species», Curtis et al, Invertebrate Biology, «Solar-Powered sea Slugs. Mollusc/algal Chlorplast Symbiosis», Rumpho, Summer et Manhart, Plant physiology, Mai Sites Internet NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Thème 1 2

3 Chapitre 1 La photosynthèse Objectifs généraux Ce chapitre appartient à la partie intitulée «Énergie et cellule vivante» qui permet d envisager les échanges de matière et d énergie d une cellule avec son environnement en relation avec les couplages énergétiques. On s intéresse dans ce chapitre à la photosynthèse au sein de la cellule chlorophyllienne eucaryote. L équation bilan de la photosynthèse est établie. On envisage l organite clé de ce phénomène : le chloroplaste. Son étude permet de préciser les éléments indispensables à la photosynthèse et de localiser la synthèse d amidon. Nous avons choisi, ensuite, de nous intéresser à la phase chimique avant la phase photochimique. La présence d amidon dans le stroma nous amène à rechercher les éléments nécessaires à cette synthèse : RH 2 et ATP. Dans un second temps, on recherche la régénération de ces éléments en étudiant la phase photochimique. Le bilan permet d établir l ordre chronologique de ces évènements après la réception de lumière. Les instructions officielles prises en compte La cellule chlorophyllienne des végétaux verts effectue la photosynthèse grâce à l énergie lumineuse. Le chloroplaste est l organite clé de cette fonction. La phase photochimique produit des composés réduits RH 2 et de l ATP. La phase chimique produit du glucose à partir de CO 2 en utilisant les produits de la phase photochimique. Limites : Les mécanismes moléculaires de la chaîne photosynthétique et la conversion chimio-osmotique ne sont pas au programme. L ATP jour un rôle majeur dans les couplages énergétiques nécessaires au fonctionnement des cellules. Progression retenue dans le chapitre L activité 1 permet de localiser la photosynthèse dans une cellule eucaryote et de déterminer les conditions de celle-ci. L utilisation de modélisations moléculaires, qui constitue un fil conducteur au sein de cette partie, permet aux élèves de mieux s approprier les différentes transformations au cours des phénomènes étudiés. L activité 2 est centrée sur le chloroplaste qui est l organite photosynthétique. On étudie sa compartimentation et on localise l amidon dans le stroma. Les pigments photosynthétiques sont séparés et leur fonction dans la photosynthèse est abordée en étudiant les spectres d absorption et d action. L activité 3 permet de détailler l utilisation du CO 2 en envisageant deux aspects : les conditions nécessaires à son utilisation et les produits formés. Dans un dernier temps, l activité 4 permet de compléter l ensemble des étapes qui forment la photosynthèse en s intéressant à la phase photochimique qui permet la régénération du RH 2 et de l ATP dont on a vu l utilisation dans l activité précédente. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 1 1

4 Proposition de programmation hebdomadaire A priori, la réalisation de ce chapitre est envisageable en 3 semaines. Au cours de la première semaine, on rétablit l équation bilan de la photosynthèse en localisant ce phénomène et en étudiant les échanges gazeux associés. Puis, dans une deuxième semaine, on détaille le chloroplaste afin de commencer à localiser les grandes étapes : production de matière organique et conversion de l énergie lumineuse en énergie chimique. La phase chimique peut également être précisée. La troisième semaine permet d étudier la phase photochimique et de relier l ensemble des points étudiés dans un schéma structural et fonctionnel du chloroplaste. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 1 2

5 Activité 1 Les conditions de la photosynthèse (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports L objectif de cette double page est de localiser cellulairement la photosynthèse et d en préciser les conditions. L observation de cellules chlorophylliennes d élodée placées dans un milieu enrichi en CO 2 et éclairé permet de localiser avec précision les organites impliqués dans la photosynthèse, les chloroplastes. L utilisation d un dispositif exao permet de préciser les échanges gazeux qui ont lieu lors de la photosynthèse. Un dernier document, basé sur les modèles moléculaires et des résultats utilisant des isotopes radioactifs permet de comprendre les implications de l équation bilan. 2. Pistes d exploitation : productions élèves attendues 1. Les organites chlorophylliens, les chloroplastes sont impliqués dans la photosynthèse. On peut constater qu en présence de lumière et de CO 2, des grains d amidon sont observables dans ces organites. Aide à la réalisation expérimentale L élodée est une plante facile à obtenir et à cultiver. Afin de visualiser l amidon au sein des chloroplastes, il faut enrichir l eau en CO 2 et maintenir les élodées éclairées pendant une durée assez longue. Si le TP a lieu le matin, éclairer les élodées toute la nuit. Prélever de préférence des feuilles jeunes à l extrémité du rameau. 2. L analyse des échanges gazeux par le dispositif exao permet de constater qu à l obscurité, les algues consomment du dioxygène et rejettent du dioxyde de carbone : c est la respiration. À la lumière, les algues consomment du dioxyde de carbone et rejettent du dioxygène : les algues respirent mais les échanges liés à ce phénomène sont masqués par un nouveau phénomène qui a lieu à la lumière : la photosynthèse. On peut ainsi établir la consommation de CO 2 et la production d O 2 de l équation bilan. L utilisation de molécules d eau dont l oxygène est marqué permet de montrer que le dioxygène dégagé, envisagé précédemment, provient de l eau, ce qui permet de compléter l équation bilan. On peut ensuite préciser le devenir du carbone consommé en utilisant du CO 2 dont le carbone est marqué. On constate alors que le carbone est détecté dans les glucides mais également dans les acides aminés. L utilisation des modèles moléculaires permet d établir la formule biochimique d un glucide simple, le glucose qui est C 6 H 12 O 6. On termine alors de compléter l équation bilan et on peut l équilibrer. L équation bilan de la photosynthèse est : 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 1 3

6 De l énergie est nécessaire pour la synthèse de liaison C-H ou C-C donc de glucides, on peut ainsi expliquer la nécessité de lumière. L utilisation du modèle moléculaire de la molécule d amidon permet de mettre en relation les grains d amidon observés dans les chloroplastes et l équation bilan de la photosynthèse. 3. Pour aller plus loin Le glucose est un ose, monomère des glucides. L amidon est un polymère glucidique qui résulte de l assemblage par liaison covalente d oses mais également une macromolécule en raison de son poids moléculaire. Le stockage sous forme de polymère glucidique n entraîne pas d augmentation de la pression osmotique contrairement à un stockage sous forme de glucides simples. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 1 4

7 Activité 2 Le chloroplaste, organite photosynthétique (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports L objectif de cette double page est de comprendre l organisation structurale d un chloroplaste et de commencer à découvrir un de ses aspects fonctionnels en étudiant les pigments chlorophylliens localisés dans les membranes des thylakoïdes. Dans le document 1, nous avons fait le choix de présenter une première électronographie non colorisée d un chloroplaste car les détails sont bien observables. L électronographie en fausses couleurs présente l avantage de bien distinguer les grains d amidon. Les documents 2 et 3 permettent d étudier l importance des pigments chlorophylliens dans la photosynthèse. On réalise tout d abord une chromatographie qui permet de séparer et d identifier les différents pigments qui composent la chlorophylle brute (document 2). L étude et la comparaison des spectres d action et d absorption de la chlorophylle permettent de mettre en relation absorption de la lumière et activité photosynthétique. 2. Pistes d exploitation : production élèves attendue 1. Le schéma légendé d un chloroplaste est réalisé p L amidon est observable uniquement dans le stroma du chloroplaste qui est donc son lieu de production. 3. Les différents pigments qui composent la chlorophylle brute sont, de haut en bas, les caroténoïdes, la xanthophylle, la chlorophylle b et la chlorophylle a. 4. L utilisation d un spectroscope à main permet de comparer le spectre de la lumière blanche et le spectre d absorption de la chlorophylle brute. On constate que certaines couleurs sont absorbées par la solution de chlorophylle brute ce qui donne des bandes noires. Les couleurs majoritairement absorbées sont le bleu et le rouge. Le vert ne l est pas expliquant la couleur verte des végétaux chlorophylliens. Le spectre d absorption établi plus précisément avec le pourcentage de lumière absorbée pour chaque longueur d onde confirme ces données. Lorsqu on établit le spectre d action, on évalue l intensité de la photosynthèse (par dégagement d O 2 ) pour chacune des longueurs d onde. Si on superpose le spectre d action et le spectre d absorption (bien que les unités soient différentes), on constate que les deux courbes se superposent, on en déduit que les longueurs d onde absorbées par les pigments sont celles qui permettent la réalisation de la photosynthèse. L énergie lumineuse absorbée par les pigments est transformée en énergie chimique et permet la synthèse de matière organique. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 1 5

8 3. Pour aller plus loin Les grains d amidon du chloroplaste sont une forme temporaire de stockage. Ils sont hydrolysés la nuit et la matière organique est exportée du chloroplaste. Ils ne présentent pas de strie contrairement aux grains d amidon contenus dans les amyloplastes des organes de réserve comme le tubercule de pomme de terre. Aide à la réalisation expérimentale La réalisation de la chromatographie peut se faire avec une solution de chlorophylle brute comme nous l avons réalisée mais également avec des feuilles bien vertes comme de l épinard ou du cresson. Dans ce cas, on utilise une baguette en verre et on poinçonne plusieurs fois la feuille au point de dépôt. La chromatographie doit être maintenue à l obscurité durant la migration car les pigments sont facilement détruits par la lumière ou la chaleur. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 1 6

9 Activité 3 La phase chimique (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports Nous avons fait le choix d envisager la phase chimique avant la phase photochimique car les élèves savent, d après les activités précédentes que la photosynthèse permet la synthèse de matière organique qui peut se présenter sous forme d amidon dans le stroma. On envisage dans un premier temps l assimilation du CO 2 sans entrée dans le détail du cycle de Calvin qui n est pas exigible. Il pourra être cependant approfondi avec les pages «pour aller plus loin». Dans un second temps, on focalise sur l ATP et le RH 2, deux coenzymes fondamentaux du métabolisme énergétique et indispensables à de nombreux couplages énergétiques. Cette notion de couplage énergétique, fil conducteur du thème, est ici abordée. 2. Tâche complexe : production élèves attendue Dans l expérience du document 1, du dioxyde de carbone dont le C est radioactif est fourni à une suspension d algues unicellulaires fortement éclairée puis mis à l obscurité. On mesure la quantité de CO 2 fixée c'est-à-dire la quantité de molécules organiques élaborées à partir du CO 2. On constate que la fixation de CO 2 dure 20 secondes après la mise à l obscurité, on en déduit que l élaboration de matière organique n utilise pas directement l énergie lumineuse puisqu elle dure à l obscurité. La synthèse de matière organique ne dépend pas directement de la lumière mais de produits intermédiaires. Les premières molécules synthétisées à partir du CO 2 sont des molécules à 3 carbones : APG (acide phosphoglycérique) et TP (trioses phosphate). Ce sont ensuite des HP (hexoses phosphate) qui sont synthétisés. La synthèse de matière de matière organique ne nécessite pas directement la lumière mais des produits synthétisés à la lumière, le document 3 va nous permettre de préciser les conditions de cette synthèse. On constate que la radioactivité est très faible lorsque le stroma est laissé à l obscurité : le CO 2 n est pas utilisé pour l élaboration de molécules organiques et le stroma ne contient pas les éléments autres que le CO2 nécessaire à cette synthèse. Par contre si on ajoute des thylakoïdes laissés à la lumière ou de l ATP et du RH 2, la radioactivité est très importante, il y a synthèse de molécules organiques. Ainsi, on peut supposer qu à la lumière, les thylakoïdes permettent la synthèse d ATP et de RH 2 qui sont utilisés dans le stroma pour permettre l élaboration de molécules organiques, comme les oses, à partir du CO 2. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 1 7

10 Aide à la résolution de la tâche complexe (Document 1) Repérez ce qui se déroule à la lumière et ce qui se déroule à l obscurité. Analysez la forme de la courbe, en relation avec le temps écoulé (20 secondes), lorsque l on passe de la lumière à l obscurité. (Document 2) Analysez le résultat de l électrophorèse réalisée au bout de 2 secondes afin de déterminer les premières molécules synthétisées à partir du CO 2. (Document 2) Comparez les résultats des deux électrophorèses afin de déterminer les molécules qui sont synthétisées ensuite. (Document 3) Repérez la nature des molécules radioactives. Comparez les résultats deux à deux afin de déterminer les éléments indispensables à la synthèse de ces molécules. (Document 4) Identifiez les fonctions des molécules mises en jeu lors de la phase d assimilation : ATP et RH 2. En conclusion, Réalisez un court texte ou un schéma bilan récapitulant les évènements se déroulant lors de la phase d assimilation du carbone ou phase chimique. 3. Pour aller plus loin L ATP et le R sont des coenzymes fondamentaux du métabolisme. Dans le cas de la phase chimique de la photosynthèse, le transporteur R est le NADP (nicotinamide dinucléotide phosphate) qui oscille entre deux états : un état oxydé NADP + et un état réduit NADPH, H +. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 1 8

11 Activité 4 La phase photochimique (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports La réalisation de la phase chimique nécessite de l ATP et du RH 2 dont on sait qu ils sont régénérés grâce aux thylakoïdes en présence de lumière. On cherche ici à préciser les conditions de cette régénération et donc à préciser la phase dite photochimique. On envisage dans un premier temps la régénération du RH 2 puis la photo-oxydation de l eau et enfin la régénération de l ATP. 2. Pistes d exploitation : productions élèves attendues 1. On mesure la quantité de dioxygène dégagé par une suspension de chloroplastes. On constate qu à l obscurité comme à la lumière, la suspension consomme du dioxygène. La photosynthèse qui se caractérise par une production de dioxygène n a donc pas lieu. La consommation de dioxygène s explique par la respiration car la suspension contient également des mitochondries. Par contre, si à la lumière, on ajoute un accepteur d électron ou réactif de Hill, on constate un fort dégagement de dioxygène. On déduit qu un accepteur d électron est nécessaire à la production de dioxygène (dont on sait d après l activité 1 qu il provient de l eau). 2. D après le document 2, le dioxygène dégagé provient de la molécule d eau par un phénomène appelé photolyse. Les électrons ne sont jamais libres dans le milieu. Dans ce cas, ils sont transférés à un accepteur R réduit en RH 2 (ou réactif de Hill dans l expérience précédente). Ce transfert nécessite de l énergie apportée par la lumière et convertie grâce à la chlorophylle. On constate que la régénération d ATP se réalise uniquement à la lumière et que la libération de dioxygène est couplée à la régénération d ATP. Cette régénération se fait grâce à des enzymes particulières, les ATP synthases localisées dans les membranes des thylakoïdes. La phase photochimique comporte deux étapes : la photolyse de l eau associée à la réduction de R en RH 2 et la régénération d ATP. 3. Le schéma bilan de la phase photochimique est réalisé page Lors de la phase photochimique, l énergie lumineuse est transformée en énergie chimique. Elle permet la régénération de R sous forme réduite RH 2 et d ATP à partir d ADP et de Pi. Lors de la phase chimique, l ATP est utilisé pour réduire le CO 2 en glucides. Les électrons et protons nécessaires sont apportés par le RH 2. Le schéma bilan de la photosynthèse est réalisé page 21. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 1 9

12 3. Pour aller plus loin La chromatographie a révélé plusieurs catégories de pigments. Dans la chaîne photosynthétique, les pigments sont associés au sein de deux photosystèmes. Dans chacun de ces photosystèmes deux molécules de chlorophylle sont localisées dans le centre réactionnel. Les autres pigments sont dans un complexe d antenne. L énergie lumineuse est captée par l ensemble des pigments. Dans le complexe d antenne il y a transfert d énergie par résonance (sans transfert d électrons) jusqu au centre réactionnel. Les chlorophylles du centre réactionnel sont excitées et transmettent leurs électrons à la chaîne de transfert d électrons. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 1 10

13 Corrections des exercices BAC Corail et photosynthèse À partir de l analyse des résultats expérimentaux, expliquez le métabolisme des xanthelles et montrez comment la photosynthèse intervient indirectement dans la nutrition des polypes. Les coraux vivent en association avec des xanthelles. On cherche à comprendre le métabolisme des xanthelles et comment la photosynthèse intervient dans la nutrition des polypes. Les coraux comme Montipora (document 1) présentent une couleur verte. Cette couleur est due à une association entre un animal, le corail, et des algues chlorophylliennes unicellulaires : les xanthelles. Ces algues possèdent des pigments capables de réaliser la photosynthèse. On étudie l évolution de la concentration en dioxygène au cours du temps d un milieu contenant des algues unicellulaires afin de comprendre le métabolisme de ces algues (document 2). À l obscurité, la concentration en dioxygène du milieu diminue, les algues consomment du dioxygène, elles respirent. À la lumière, dans un milieu dépourvu de CO 2, la diminution d O 2 continue ; les algues respirent à la lumière. Par contre lorsqu on ajoute une solution riche en dioxyde de carbone, on observe que la concentration en dioxygène du milieu augmente fortement : les algues unicellulaires produisent du dioxygène, elles réalisent la photosynthèse. Les polypes vivent en association avec des algues unicellulaires. On cultive des polypes et/ou des algues, à l obscurité et à la lumière afin de préciser leur métabolisme. Lorsqu on cultive des xanthelles seules (milieu 1), elles ne produisent pas de molécules organiques à l obscurité. Par contre, des molécules organiques radioactives sont détectées à partir de 5 minutes. Sachant que c est le C du CO 2 qui est radioactif, les xanthelles fabriquent de la matière organique en utilisant l énergie lumineuse : elles réalisent la photosynthèse. Lorsqu on cultive des polypes seuls (milieu 3), ils n élaborent aucune molécule organique à la lumière comme à l obscurité. Par contre si on compare le milieu 2, constitué de polypes associés à des xanthelles, on constate alors qu on détecte des molécules organiques dans les polypes. On en déduit donc que ces molécules organiques proviennent des algues capables de réaliser la photosynthèse. La matière organique indispensable aux polypes peut d ailleurs être apportée directement. En bilan, les xanthelles, algues unicellulaires chlorophylliennes, produisent de la matière organique par photosynthèse. Les molécules organiques sont utilisées par les algues elles-mêmes lors de la respiration et pour leur croissance mais elles sont également en partie transmises aux polypes qui l utilisent pour leur propre croissance. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 1 11

14 NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 1 12

15 Elysia, un animal étonnant À partir de l exploitation des différents documents, formulez une hypothèse afin d expliquer comment Elysia peut survivre sans apport extérieur de nourriture. La limace de mer, Elysia, possède la particularité de pouvoir vivre sans apport extérieur de nourriture et présente une couleur verte. On cherche à expliquer la survie de cet animal en l absence de nourriture. La limace de mer Elysia, (document 1) présente une couleur verte habituellement observée chez les végétaux qui possèdent des pigments chlorophylliens localisés dans les membranes des thylakoïdes des chloroplastes. La limace n est pas colorée à l éclosion, elle change de couleur et devient verte après un premier repas constitué d algues. On peut donc supposer que les algues chlorophylliennes consommées par la limace interviennent dans le changement de couleur. Lorsqu on étudie les cellules d Elysia après la consommation d algues (document 2), on constate que les cellules possèdent des organites normalement absents des cellules animales : les chloroplastes. Sachant que les chloroplastes n apparaissent pas si les limaces ne consomment pas d algues, on en déduit qu ils proviennent des algues consommées. Lors de ses premiers repas d algues chlorophylliennes, la limace intègre les chloroplastes des cellules consommées à ses propres cellules. On mesure le dégagement de dioxygène des limaces en fonction de l éclairement afin de préciser leur métabolisme (document 3). La respiration se traduit par une consommation de dioxygène alors que la photosynthèse entraine un dégagement de dioxygène. Nous avons vu que ces limaces ont intégré des chloroplastes dans leurs cellules mais on ne sait pas s ils sont fonctionnels et effectuent la photosynthèse. On constate qu à l obscurité, les limaces consomment du dioxygène, elles respirent. À la lumière, le dégagement de dioxygène est d autant plus important que l éclairement est important, compris entre 0,5 et 17 µm / 2 min. On en déduit que les chloroplastes sont fonctionnels et effectuent la photosynthèse. Les limaces de mer Elysia, incolores à l éclosion, ingèrent des algues chlorophylliennes et intègrent leurs chloroplastes à leurs propres cellules. Elles deviennent alors de couleur verte. Les chloroplastes sont fonctionnels et permettent la synthèse de molécules organiques grâce à la lumière. Ces molécules sont utilisées par la limace pour sa croissance et son fonctionnement, elle peut alors survivre sans apport extérieur de nourriture. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 1 13

16 Chapitre 2 La production d ATP dans les cellules Objectifs généraux Ce chapitre appartient à la partie intitulée «Énergie et cellule vivante» et fait suite au chapitre 1 qui a été l occasion d envisager la photosynthèse au sein des cellules chlorophylliennes eucaryotes. Les cellules, qu elles soient chlorophylliennes ou non, sont approvisionnées en molécules organiques. On cherche donc à comprendre comment cette matière organique est oxydée lors de deux mécanismes fondamentaux : la respiration et la fermentation. Les deux premières activités sont l occasion d envisager la dégradation respiratoire des molécules organiques en prenant comme exemple le glucose. On étudie tout d abord l organite de la respiration et son substrat mettant ainsi en évidence l étape hyaloplasmique de la respiration. Puis on envisage les réactions qui se déroulent au sein de la mitochondrie. Les fermentations sont ensuite étudiées afin de pouvoir, dans une dernière activité, comparer les rendements des deux phénomènes étudiés : la respiration et la fermentation. Les instructions officielles prises en compte La plupart des cellules eucaryotes (y compris les cellules chlorophylliennes) respirent : à l aide du dioxygène elles oxydent la matière organique en matière minérale. La mitochondrie joue un rôle majeur dans la respiration cellulaire. L oxydation du glucose comprend la glycolyse (dans le hyaloplasme) puis le cycle de Krebs (dans la mitochondrie) : dans leur ensemble, ces réactions produisent du CO 2 et des composés réduits R H 2. La chaîne respiratoire mitochondriale permet la réoxydation des composés réduits ainsi que la réduction de dioxygène en eau. Ces réactions s accompagnent de la production d ATP qui permet les activités cellulaires. Certaines cellules eucaryotes réalisent une fermentation. L utilisation fermentaire d une molécule de glucose produit beaucoup moins d ATP que lors de la respiration. Progression retenue dans le chapitre L activité 1 constitue une première approche de la respiration. Après avoir établi de manière simplifiée un bilan de la respiration, l objectif est d identifier l organite qui permet la respiration avant de mettre en évidence que le substrat de la mitochondrie n est pas le glucose et qu il existe donc une étape préalable de dégradation du glucose dans le hyaloplasme. L activité 2 détaille les réactions chimiques qui se déroulent au sein de la mitochondrie. Après avoir mis en évidence que la mitochondrie est un organite compartimenté, on étudie les réactions qui ont lieu dans la matrice en identifiant les réactifs et les produits de la réaction. Enfin, la dernière partie permet de faire le NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 2 1

17 lien entre oxydation des composés réduits R H 2 et la production d ATP dans la mitochondrie. L activité 3 permet de comprendre que certaines cellules sont capables de se développer même en l absence de dioxygène. En se basant sur l exemple de la fermentation alcoolique, on précise les étapes de ce phénomène. Dans un second temps, on envisage la fermentation lactique et on dégage, par comparaison des deux fermentations étudiées, les grandes étapes de la dégradation fermentaire d une molécule de glucose. L activité 4 a pour objectif de comparer les deux métabolismes envisagés lors des activités précédentes. Après avoir comparé la croissance de deux populations de levures, on compare les structures cellulaires et les rendements énergétiques. Proposition de programmation hebdomadaire A priori, la réalisation de ce chapitre est envisageable en 4 semaines. La première séance peut être consacrée à une étude expérimentale assistée par ordinateur (ExAO) de la respiration afin d en dresser un bilan simplifié, puis d en identifier l organite clé et son substrat grâce à une étude de documents. La deuxième séance sera l occasion d étudier les réactions au sein de la mitochondrie et de réaliser un schéma bilan de la respiration, avec une étape hyaloplasmique et l ensemble des étapes mitochondriales. La troisième séance serait consacrée à l étude expérimentale de la fermentation alcoolique puis à l étude de la fermentation lactique. La dernière séance serait l occasion de faire des comparaisons entre respiration et fermentation et de réaliser un schéma bilan de l ensemble des réactions de dégradation du glucose permettant la production d ATP. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 2 2

18 Activité 1 Une première approche de la respiration (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports L objectif de cette double page est de permettre aux élèves d établir un bilan simplifié de la respiration et de comprendre que sous ce bilan se cache un ensemble de réactions qui ont lieu dans deux compartiments différents de la cellule : le hyaloplasme et la mitochondrie. Les élèves doivent parvenir à la conclusion que le glucose est d abord dégradé dans le hyaloplasme, puis que le produit de cette dégradation est oxydé à l aide du dioxygène dans la mitochondrie. Le moyen le plus simple de prouver le rôle des mitochondries dans la respiration est d étudier la respiration chez des organismes ayant des mitochondries anormales. 2. Pistes d exploitation : productions élèves attendues 1. En présence de glucose, les levures consomment du dioxygène et rejettent du dioxyde de carbone. Le glucose est consommé lors de l étude. Un bilan simplifié de la respiration est donc : Glucose (C 6 H 12 O 6 ) + O 2 CO 2 + Énergie L ajout de molécules d eau permet d équilibrer l équation bilan (acquis de chimie), ce qui donne l équation : C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O + Énergie 2. En absence de dioxygène, les levures se multiplient moins vite, ce qui suggère qu elles produisent moins d énergie qu en présence de dioxygène. En outre, elles possèdent des mitochondries anormales en absence de dioxygène, ce qui suggère que les mitochondries pourraient jouer un rôle dans la respiration. En présence de glucose, une souche mutée qui ne possède pas de mitochondries fonctionnelles ne consomme quasiment pas de dioxygène alors qu une souche avec des mitochondries normales consomme du dioxygène en présence de glucose. La mitochondrie est donc l organite à l origine de la respiration cellulaire. 3. Une suspension de mitochondries placée en présence de glucose ne consomme pas de dioxygène alors qu elle en consomme lorsqu elle est en présence de pyruvate. Les mitochondries n oxydent donc pas directement le glucose. Comme des études avec du glucose radioactif montre l apparition de pyruvate radioactif dans le hyaloplasme des cellules, on en déduit que la respiration comporte une première étape hyaloplasmique de dégradation du glucose en pyruvate. Cette étape est appelée la glycolyse. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 2 3

19 Pour aller plus loin : Il peut être intéressant dans le cadre de l accompagnement personnalisé de montrer que la glycolyse permet de produire de l ATP mais qu elle en consomme également. Sans rentrer dans les détails, il sera important de ne pas négliger l importance de la glycolyse comme première étape de la respiration et seule étape productrice d ATP dans les fermentations. Activité 2 Les réactions au sein de la mitochondrie (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports L objectif de cette double page est de comprendre, de manière simplifiée, les réactions qui se déroulent au sein de la mitochondrie. Les élèves doivent d abord comprendre qu il s agit d un organite compartimenté, chaque partie n ayant pas les mêmes protéines et donc assurant a priori des fonctions différentes. Ils doivent ensuite comprendre que le pyruvate est oxydé dans la matrice mitochondriale et que cette réaction permet la production de composés réduits R H 2 et entraîne la libération de CO 2. Enfin, le dernier document permet de faire un lien entre oxydation des composés R H 2, membrane interne des mitochondries et production d ATP grâce à une enzyme spécifique : l ATP synthase. 2. Tâche complexe : production élèves attendue Aide à la résolution de la tâche complexe : 1. (Document 1) Identifiez les différents compartiments de la mitochondrie et les protéines particulières qu ils possèdent. 2. (Document 2) Comparez les structures des levures selon le milieu et faites le lien avec le métabolisme utilisé. 3. (Document 2) Relevez les arguments expérimentaux montrant que des molécules réductrices R H 2 sont produites au cours de la réaction précédemment identifié et productrice de CO (Document 3) Relevez les arguments établissant un lien entre oxydation de R H2 et production d ATP et localisez cette réaction. 5. En conclusion, réalisez un schéma de mitochondrie dans lequel vous localiserez les différentes réactions en identifiant les réactifs et produits de chaque réaction. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 2 4

20 Le document 1 montre que la mitochondrie contient deux compartiments séparés par une membrane interne : la matrice et l espace intermembranaire. Chaque compartiment contient des protéines spécifiques, ce qui suggère que ces compartiments n ont pas les mêmes fonctions au sein de la mitochondrie. Les études sur les différentes fractions de la mitochondrie montrent que la production de CO 2 n a lieu que suite à l ajout de pyruvate avec des éléments de la matrice. C est donc dans la matrice que le pyruvate est dégradé en CO 2. Cette étape ne consomme pas de dioxygène puisqu elle se réalise de la même manière en présence ou non de dioxygène. En présence de protéines de la matrice et de pyruvate et de composés oxydés R, on observe une augmentation de l absorbance à 350 nm. Or seul R H 2 absorbe cette longueur d onde dans la solution. Les protéines de la matrice permettent donc la réduction des composés R en R H 2 grâce à l oxydation du pyruvate. Cette réaction ne se produit pas si le pyruvate est remplacé par du glucose, ce qui confirme l importance de la glycolyse comme première étape de la respiration. L ensemble des réactions qui se déroulent dans la matrice constitue le cycle de Krebs : il permet la production de composés R H 2 et de CO 2 par l oxydation du pyruvate. Le document 3 montre que l ajout de composés réduits R H 2 et d ADP + Pi permet une consommation de dioxygène et une production d ATP. L ajout d un inhibiteur des réactions d oxydoréduction empêche la production d ATP dans les mêmes conditions. Il existe donc un couplage entre l oxydation des composés R H 2 et la production d ATP. Comme le dioxygène n est plus consommé en présence de roténone, on en déduit que l oxydation des composés R H 2 s accompagne de la réduction du dioxygène en eau. La membrane interne contenant des complexes d oxydoréduction formant des chaînes respiratoires, on confirme que ces réactions ont lieu au niveau de cette membrane interne. En outre, celle-ci contient des complexes enzymatiques capables de synthétiser l ATP : les ATP synthases. L oxydation des composés R H 2 permet donc la production d ATP par les ATP synthases. Ainsi, le cycle de Krebs dans la matrice mitochondriale permet la formation de composés réduits R H 2 à partir de l oxydation du pyruvate. Ces composés s oxydent grâce à des chaînes respiratoires présentes dans les membranes internes des mitochondries. Cette oxydation consomme le dioxygène et permet la production d ATP par des ATP synthases. Voir les schémas 2 et 3 de la synthèse p. 36. Pour aller plus loin : Bien que cela ne soit pas explicitement au programme, il peut être intéressant avec un groupe d élèves motivés d éclaircir un peu le lien entre réactions d oxydoréduction et production d ATP. Les mouvements de rotation de l ATP synthase à l origine de la production d ATP pourront ensuite être mis en parallèle avec la consommation d ATP et les mouvements de la myosine à l origine de la contraction des fibres musculaires. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 2 5

21 Activité 3 Produire de l ATP sans dioxygène (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports Le déroulement de cette activité repose sur les connaissances acquises lors du chapitre précédent et lors des activités 1 et 2 de ce chapitre. Les représentations moléculaires de l éthanol et de l acide lactique ainsi que leurs formules biochimiques permettent aux élèves de comprendre qu il s agit de molécules organiques (redéfinies dans le chapitre 1). D autre part, les activités 1 et 2 ont permis de comprendre que lors de la respiration, le glucose est totalement dégradé en matières minérales ce qui permet la régénération d ATP indispensable aux travaux cellulaires. Dans un premier document, on étudie la dégradation particulière du glucose par certaines cellules lors de la fermentation alcoolique. Le montage permet de montrer que les levures se multiplient même en l absence de dioxygène. L analyse du milieu par bandelettes glucose montre la consommation de glucose et le montage ExAO permet de comprendre que la dégradation du glucose s accompagne d une production de CO 2 et d éthanol. Le document 2 a pour objectif d étudier la fermentation lactique en comparant les sangs artériel et veineux. On peut ainsi, en s appuyant sur ce qui vient d être étudié dans la fermentation alcoolique, dégager les caractéristiques de cette fermentation. Le dernier document permet de faire le bilan des fermentations étudiées et de constater que la glycolyse est une étape qui existe dans la dégradation du glucose par respiration ou par fermentation. 2. Pistes d exploitation : production élèves attendue 1. Les levures sont capables de survivre dans de l eau glucosée dans des conditions anaérobies. Elles peuvent donc se développer sans respirer puisque le dioxygène est nécessaire à la respiration. Par contre le milieu bouillonne, on en déduit donc qu un gaz est produit. L utilisation de bandelettes glucose montre qu à t 0, le milieu contient du glucose alors qu il n en contient plus au bout de 24 h. Le glucose est consommé par des cellules qui fermentent. Le montage ExAO permet de mesurer les variations de trois paramètres : CO 2, O 2 et éthanol, dont on peut voir sur le modèle moléculaire qu il s agit d une molécule organique (liaison C-H et C-C observables). On constate, qu après une phase de respiration (consommation d O 2 et rejet de CO 2 ), l O 2 n est plus présent et la cellule produit du CO 2 et de l éthanol lors de la fermentation alcoolique. En bilan, lorsque la cellule fait la fermentation alcoolique, elle consomme du glucose qu elle dégrade en éthanol et en CO 2 ce qui lui permet de se développer. La fermentation alcoolique ne nécessite pas de dioxygène. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 2 6

22 2. Lors de la fermentation alcoolique, le glucose (molécule organique) est partiellement dégradé en une autre molécule organique, l éthanol en l absence de dioxygène permet à la cellule de produire sont ATP. Les cellules musculaires sont capables de respirer et de fermenter. La respiration s accompagne d une consommation de dioxygène et de glucose ainsi que d un rejet de dioxyde carbone. On constate qu elle rejette beaucoup plus de CO 2 qu elle ne consomme d O 2 mais également qu elle produit de l acide lactique dont le modèle moléculaire nous permet de constater qu il s agit d une molécule organique. Les fermentations, alcoolique et lactique, correspondent à des dégradations partielles de molécule organique (ex : glucose) en d autres molécules organiques plus simples (éthanol dans la fermentation alcoolique et acide lactique dans la fermentation lactique) en l absence de dioxygène. Ces dégradations s accompagnent d un rejet de CO 2 et permettent de fournir à la cellule qui fermente l énergie chimique (ATP) dont elle a besoin. 3. La glycolyse est une étape commune à la dégradation du glucose par respiration et par fermentation. Pour aller plus loin : La possibilité de fermentation est à mettre en relation avec l équipement enzymatique d une cellule. Il est intéressant de constater que des cellules d un même organisme (cellules musculaires et cellules nerveuses par exemple) qui possèdent le même patrimoine génétique et donc les mêmes gènes ne possèdent pas le même équipement enzymatique. Ceci dépend du contrôle de l expression génétique et de la répression de certains gènes et l expression d autres gènes. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 2 7

23 Activité 4 Comparaison énergétique respiration fermentation (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports Les activités précédentes ont été l occasion de montrer que les levures sont capables de se développer en présence ou en l absence de dioxygène. Elles dégradent totalement ou partiellement le glucose et en tirent ainsi de l énergie utilisable dans les cellules (ATP). Les levures, capables de respirer ou de fermenter constituent donc un matériel de choix pour comparer les deux voies métaboliques. Dans un premier document, on compare la croissance d une population de levure avec ou sans dioxygène ce qui permet de comparer l énergie tirée de l oxy-dation complète ou incomplète du glucose. Puis on compare l ultrastructure des levures dans les deux cas. Enfin, dans un dernier document, on conclut sur les rendements énergétiques des deux voies métaboliques ce qui permet de mettre en relation les différentes données. Aide à la réalisation expérimentale Afin de réaliser les cultures dans de bonnes conditions, ne pas trop ensemencer le milieu. D autre part, il ne faut pas utiliser de l eau distillée mais enrichi en NPK (afin que ces minéraux ne constituent pas le facteur limitant de culture amenant alors à des résultats semblables pour les deux cultures). 2. Tâche complexe : productions élèves attendues Aide à la résolution de la tâche complexe : 1. (Document 1) Indiquez, selon les conditions expérimentales, la quantité de glucose consommé et les effets sur la croissance des levures. En déduire une première idée des rendements énergétiques de la respiration et de la fermentation. 2. (Document 2) Comparez les structures des levures selon le milieu et faites le lien avec le métabolisme utilisé. 3. (Document 3) Comparez les rendements énergétiques de la fermentation et de la respiration. 4. En conclusion, réalisez une comparaison de la fermentation et de la respiration et expliquez les résultats des expériences du document 1. Afin de comparer les capacités de croissance de levures qui fermentent et de levures qui respirent, on réalise deux cultures avec du glucose mais en présence ou non de dioxygène (document 1). Le comptage des levures au bout de 7 jours permet de constater que les levures se sont multipliées de façon importante en présence de glucose et de dioxygène alors qu elles ont survécu mais se sont peu multipliées en l absence de dioxygène. L analyse des bandelettes glucose NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 2 8

24 permet de constater que la teneur en glucose est nulle dans le milieu sans dioxygène alors qu elle est plus faible qu à t 0 mais non nulle dans le milieu avec dioxygène. Ainsi, en présence de dioxygène, les levures peuvent respirer et se multiplient activement en consommant une quantité de glucose plus faible qu en absence de dioxygène. Dans ce cas, elles survivent mais se divisent peu en consommant une quantité importante de glucose. En l absence de dioxygène, seule la fermentation est possible. La dégradation du glucose par respiration permet une croissance beaucoup plus importante donc un apport d énergie cellulaire plus important. La comparaison des ultrastructures des levures (document 2) permet de constater que l organite de la respiration, la mitochondrie est présente en grand nombre et bien développée dans une cellule qui respire. En revanche, les mitochondries sont moins développées et ne possèdent plus de crêtes bien visibles dans les cellules qui fermentent. Les rendements énergétiques de la respiration et de la fermentation c'est-à-dire le nombre de molécules d ATP régénérée par molécule de glucose dégradée sont nettement plus importants dans le cas d une dégradation par respiration (32 molécules d ATP par molécule de glucose dégradée) que lors d une fermentation (2 molécules d ATP). La dégradation d une molécule de glucose permet à la cellule de produire 32 molécules d ATP par respiration alors que cette dégradation est incomplète et ne permet de régénérer que 2 molécules d ATP par fermentation. Le rendement énergétique peut être calculé en utilisant la valeur énergétique du glucose : kj.mol -1 et celle de l ATP : 30,5 kj.mol -1. Lors de la respiration le rendement énergétique est de : 30,5 32 / soit 34 %. Lors de la fermentation ce rendement est de 30,5 2 / soit 2 %. La croissance cellulaire est beaucoup plus importante pour une même quantité de glucose consommée avec dioxygène. Pour aller plus loin : Le rendement de la fermentation est nettement plus faible que celui de la respiration, mais on peut constater que cette voie métabolique assure la survie des cellules et un approvisionnement en ATP pour les travaux cellulaires dans un milieu dépourvu de dioxygène. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 2 9

25 Correction des exercices BAC Métabolisme énergétique du spermatozoïde Les spermatozoïdes sont des cellules mobiles dont le déplacement nécessite une grande quantité d ATP. On cherche à préciser et à localiser les voies de production de l ATP au sein de cette cellule. Le spermatozoïde est une cellule qui possède une organisation particulière (document 1). Cette cellule est constituée de trois parties distinctes, tête, pièce intermédiaire et flagelle dont l une, la pièce intermédiaire est très riche en mitochondries. La mitochondrie est l organite de la respiration. Le fructose est un ose contenu dans le liquide séminal. Lorsqu on localise les enzymes de dégradation de ce sucre grâce à des anticorps fluorescents (document 2), on constate que la fluorescence est localisée dans le flagelle. On en déduit que les enzymes de dégradation du fructose contenu dans le liquide séminal sont localisées dans le flagelle. On étudie la mobilité des spermatozoïdes en présence ou non de dioxygène afin de déterminer s ils utilisent la voie respiratoire (document 3). On constate que les spermatozoïdes sont mobiles en présence de fructose et de dioxygène alors qu ils perdent leur mobilité en l absence de dioxygène. La respiration est essentielle à la régénération de l ATP et à la mobilité du spermatozoïde. Il existe donc une régionalisation de la dégradation du fructose dans le spermatozoïde. Le fructose est tout d abord dégradé dans le flagelle par des réactions dont on peut supposer qu elles constituent la glycolyse. Puis les mitochondries utilisent le pyruvate dans la pièce intermédiaire. Il est totalement dégradé par les nombreuses mitochondries qui s y trouvent ce qui permet de fournir les grandes quantités d ATP nécessaires à la mobilité du spermatozoïde. Métabolisme de deux souches de levures On dispose de deux souches différentes de levure : G et P dont on cherche à comparer le métabolisme en relation avec la taille des colonies. On compare la taille des colonies de souche G et de souche P (document 1). Chaque colonie est le résultat de la multiplication d une cellule déposée sur une boîte de culture. Elle témoigne donc de l intensité des divisions des cellules de la souche étudiée. On constate que les colonies de souche G sont de grande taille alors que celles de souche P sont de petite taille. On en déduit que les levures de souche G sont capables de se diviser beaucoup plus activement que celles de souches P. Afin de comprendre si la chaîne respiratoire de la membrane interne des mitochondries est fonctionnelle, on applique qui fonctionne comme accepteur final d électrons à la place du dioxygène mais donne un composé de couleur rouge (document 2). On constate que les colonies de souche G sont de couleur rouge alors que celles de souche P sont blanches. Les levures de souche G possèdent donc une chaîne respiratoire fonctionnelle et peuvent dégrader leur substrat par respiration, alors que les levures de souche P en sont incapables. On évalue le rendement de la dégradation d une molécule de glucose dans les souches G et P (document 3). Le rendement est 2 % pour la souche P alors qu il NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 2 10

26 est de 40 % pour la souche G. Un rendement de 2 % est un rendement faible de la dégradation par fermentation, alors qu un rendement de 40 % est un rendement fort de dégradation par respiration des molécules de glucose. Les levures de souche G possèdent des chaînes respiratoires fonctionnelles. Elles sont capables de dégrader le glucose par respiration, ce qui leur permet une forte production d ATP et des divisions importantes donnant des colonies de grande taille. Les cellules de souche P dégradent le glucose par fermentation. Le rendement de la dégradation d une molécule de glucose est plus faible et les divisions cellulaires sont moins nombreuses donnant des colonies de petite taille. Exercices complémentaires Le lichen À partir de l exploitation des documents, montrez que les algues et les champignons possèdent des métabolismes différents et précisez la source de matière organique de chacun d eux. Document 1 : Morphologie d un lichen Les lichens possèdent la particularité de pouvoir se développer sur des supports nus comme des pierres, des murs Ils ne prélèvent dans leur milieu que de l eau et des sels minéraux. L observation au microscope permet de révéler qu ils sont formés de deux types de cellules d espèces différentes : des filaments de champignons et des algues vertes. Document 2 : Comparaison des besoins nutritifs des algues et des champignons dans différentes conditions Il est possible de cultiver séparément les champignons et les algues afin de déterminer leurs besoins nutritifs. Eau + sels minéraux glucose Lumière obscurité Résultats de la culture Algues oui non lumière accroissement de la population dʼalgues oui non obscurité mort des algues oui non lumière mort des champignons Champignons oui oui lumière ou obscurité développement des champignons Document 3 : Détection des molécules organiques radioactives dans les cellules de champignon et d algues en fonction du temps dans différentes conditions NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 2 11

27 Des disques de lichen de 7 mm sont cultivés dans un milieu contenant du carbone minéral radioactif. On prélève régulièrement des disques. On sépare les algues et les champignons et on mesure leur teneur en molécules organiques radioactives. Les résultats sont les suivants : NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 2 12

28 Métabolisme et conditions de culture À partir de l'exploitation des documents proposés, de la mise en relation des informations apportées et à l'aide de vos connaissances, expliquez les résultats observés. Document 1 : Conditions de culture et résultats obtenus Des levures sont cultivées dans une solution de glucose à 10 g.l -1. On divise la culture en deux lots A et B que l on place dans des conditions différentes pendant quelques heures. On réalise différentes analyses présentées dans le tableau. Document 2 : Levures issues des deux milieux de cultures (MET) NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 2 13

29 Chapitre 3 ATP et activité musculaire Objectifs généraux La fibre musculaire est une cellule spécialisée dans la contraction. L objectif de ce chapitre est de comprendre comment cette contraction cellulaire est rendue possible, de mettre en évidence le rôle de l ATP dans ce phénomène et enfin d étudier les modalités de production de l ATP dans la fibre musculaire. Les connaissances acquises dans les chapitres précédents sur la notion de couplage énergétique ainsi que sur la respiration et la fermentation constituent des prérequis indispensables à la bonne compréhension de ce chapitre. Les instructions officielles prises en compte La fibre musculaire utilise l'atp fourni, selon les circonstances, par la fermentation lactique ou la respiration. L'hydrolyse de l'atp fournit l'énergie nécessaire aux glissements de protéines les unes sur les autres qui constituent le mécanisme moléculaire à la base de la contraction musculaire. [Les autres aspects de l'énergétique de la fibre musculaire sont exclus.] - L'ATP joue un rôle majeur dans les couplages énergétiques nécessaires au fonctionnement des cellules. [L'étude préalable des différents exemples du programme permet d'aboutir à une conclusion générale qui ne génère pas en elle-même d'étude complémentaire.] Progression retenue dans le chapitre L'activité 1 présente l organisation de la fibre musculaire et permet d identifier les éléments à l échelle moléculaire qui permettent un raccourcissement de la fibre musculaire. L activité 2 permet d identifier le rôle de l ATP dans la contraction musculaire et de voir comment elle permet le glissement des protéines les unes sur les autres. L activité 3 permet de caractériser les mécanismes à l origine de la production d ATP dans la fibre musculaire. L objectif ici est de montrer que ces origines varient selon les circonstances. Proposition de programmation hebdomadaire A priori, la réalisation de ce chapitre est envisageable en 2 semaines. La première séance serait consacrée à l organisation du muscle et aux modalités de sa contraction, donc aux activités 1 et 2. La deuxième séance s intéresserait aux origines de l ATP dans la fibre musculaire pendant 1 h. La deuxième partie de la séance serait l occasion de réaliser une évaluation sur les chapitres précédents, soit par l intermédiaire d étude de documents, soit dans l optique de l Évaluation des Capacités Expérimentales. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 3 1

30 Activité 1 Organisation et activité musculaire (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports L'objectif de cette double page est de permettre aux élèves de faire le lien entre l organisation de la fibre musculaire et sa capacité à se contracter. Le document 1 met en évidence l organisation du muscle en unités appelées sarcomères.. Le document 2 permet de montrer que ce sont ces sarcomères qui se raccourcissent lors d une contraction. Le document 3 permet de déterminer l origine de la contraction du sarcomère, à savoir le glissement de protéines les unes sur les autres. La mise en relation de tous ces documents permet d aboutir à un modèle simple, de l échelle moléculaire à l échelle cellulaire, du raccourcissement de la fibre musculaire. 2. Tâche complexe : production élèves attendue Aide à la résolution de la tâche complexe : 1. (Document 1) Repérez les structures régulières qui composent le muscle. 2. (Document 2) Indiquez la modification observée du sarcomère lors de la contraction de la fibre musculaire. 3. (Document 3) Identifiez les composants du sarcomère. 4. (Documents 2 et 3) Déduire des observations des deux derniers documents les mouvements des protéines au sein du sarcomère lors de la contraction musculaire. Le document 1 montre que les fibres musculaires sont constituées d unités protéiques à l origine de leur aspect strié. Les clichés de microscopie électronique à balayage - qui permet de voir les structures en relief montrent que le cytoplasme des fibres musculaires est un assemblage de fibres appelées myofibrilles qui semblent correspondre à la juxtaposition d unités appelées sarcomères. Le document 2 montre l aspect de ces sarcomères dans une fibre relâchée puis contractée. Au repos, un sarcomère mesure environ 5,8 µm alors qu après contraction de la fibre musculaire un sarcomère ne mesure plus que 44 µm. La contraction des fibres musculaires est donc la conséquence d un raccourcissement des sarcomères. Le document 3 montre l organisation moléculaire du sarcomère. La bande claire est constituée de filaments fins d actine alors que la bande sombre est constituée d un assemblage de protéines appelées myosines. Dans le document 2, la taille de la bande sombre reste constante alors que la taille des bandes claires diminue. Compte tenu des informations obtenues sur l organisation des sarcomères dans le document 3, on en déduit que le raccourcissement des fibres musculaires résulte du glissement des filaments d actine sur les myosines au sein des sarcomères. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 3 2

31 Pour aller plus loin : Même si ce n est pas explicitement au programme, il est important d indiquer aux élèves que les sarcomères sont reliés à la membrane plasmique de la cellule grâce à d autres protéines, car ce n est pas parce qu il y a un mouvement dans le hyaloplasme de la cellule que cela modifie la taille de la cellule. Prendre l exemple d une myopathie affectant la dystrophine peut être un bon moyen d aborder ce problème en complément ou dans le cadre d un exercice à faire à la maison. Activité 2 ATP et contraction musculaire (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports L'objectif de cette double page est de montrer comment l ATP permet le coulissage des filaments. Après avoir montré dans le document 1 que l ATP est nécessaire à la contraction musculaire, le document 2 permet de montrer que l ATP permet à la myosine de déplacer in vitro des filaments d actine, la myosine étant fixe dans cette expérience. Le document 3 permet de voir que les têtes de myosines sont voisines des filaments d actine dans les fibres musculaires et que la fixation d ATP, son hydrolyse ou son relargage de la myosine permet des mouvements de la tête de myosine à l origine d un déplacement des filaments d actine, donc des sarcomères. 2. Tâche complexe : production élèves attendue Aide à la résolution de la tâche complexe : 1. (Document 1) Relever les arguments en faveur de l utilisation d ATP au cours de la contraction musculaire. 2. (Document 2) Identifiez les molécules qui utilisent l ATP et qui induisent les mouvements dans le sarcomère à l aide de cette expérience. 3. (Document 3) Relevez les arguments montrant que la myosine agit comme un moteur moléculaire, c est-à-dire qu il permet des mouvements. 4. (Document 3) A l aide l organisation du sarcomère et des informations sur les mouvements des myosines et sa position selon la présence d ATP ou non, proposez un cycle simplifié permettant le raccourcissement du sarcomère à l origine de la contraction des fibres musculaires. Le document 1 montre que l ajout d ATP dans un milieu physiologique contenant des fibres musculaires entraîne la contraction de ces fibres. Or l ajout de Salyrgan, un inhibiteur de l hydrolyse de l ATP, bloque très rapidement la NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 3 3

32 contraction des fibres musculaires. Ceci montre que l hydrolyse de l ATP est indispensable à la contraction des fibres musculaires. La contraction étant permise grâce à l actine et à la myosine, l expérience présentée dans le document 2 permet de préciser le rôle de l ATP dans la contraction des sarcomères. L addition d ATP dans le montage montre un déplacement des filaments d actine d environ 6 µm en 2,4 s. OR ce déplacement ne se produit pas en absence d ATP ou de myosine, ce qui montre que l ATP permet aux myosines de déplacer les filaments d actine. Le document 3 permet de comprendre comment l ATP permet à la myosine de déplacer les filaments d actine. Dans les fibres musculaires, les têtes des myosines sont au contact des filaments d actine dans les sarcomères. Les expériences de mutagenèse montrent que la contraction musculaire est très rare si le domaine de fixation de l ATP de la myosine est muté, alors que la contraction est de l ordre de 150 contractions par minute dans le témoin possédant une myosine normale. Ces résultats indiquent que la fixation d ATP sur la myosine est indispensable à l action de la myosine sur les filaments d actine à l origine de la contraction des fibres musculaires. Une mutation du domaine de conversion, qui est une zone mobile de la protéine, réduit de moitié la fréquence de contraction des fibres musculaires par rapport au témoin. Cela montre que la capacité de la myosine a changé de conformation est indispensable à son fonctionnement. L hydrolyse de l ATP entraîne un basculement de la tête de myosine. La rigidité cadavérique montre qu en l absence d ATP, la myosine reste attachée à l actine alors qu elle se détache en présence d ATP. L ensemble de ces résultats permet d abouti au modèle suivant pour le raccourcissement des sarcomères : 1. la myosine est fixée sur l actine. 2. la fixation d ATP sur la myosine entraîne son détachement de l actine. 3. l hydrolyse de l ATP entraîne un basculement de la tête de myosine. 4. la tête de myosine contenant de l ADP se fixe à l actine. 5. le départ de l ADP de la myosine entraîne un nouveau basculement de la tête, ce qui déplace le filament d actine par rapport à la myosine. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 3 4

33 Activité 3 L ATP des fibres musculaires (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports L'objectif de cette double page est de montrer que l ATP n est pas stockée dans les fibres musculaires et que la plupart des efforts demandent davantage d ATP qu il n y en a de disponible dans les fibres musculaires. Cet ATP doit donc être produit au cours de l effort. L intérêt est également de montrer la diversité du métabolisme des fibres musculaires, notamment selon la durée et l intensité de l effort Tâche complexe : production élèves attendue Aide à la résolution de la tâche complexe : 1. (Document 1) Relevez les arguments montrant qu il est nécessaire de produire de l ATP lors d un effort, quel qu il soit. 2. (Document 2) Relevez l argument suggérant que la créatine sous forme de créatine phosphate permet de régénérer l ATP au cours d un effort.). 3. (Document 3) Identifiez les éléments consommés lors d un effort et les produits rejetés afin d identifier les métabolismes possibles de la fibre musculaire. 4. (Document 3) Précisez les conditions dans lesquelles le muscle utilise un métabolisme plutôt qu un autre pour régénérer l ATP. D'après le document 1, la quantité d ATP chez un homme de 70 kg est de 120 à 180 mmol, ce qui fournit une énergie potentielle de 5,1 à 7,5 kj. Une course sur 100 m ou même une marche lente pendant une minute consomme plus d énergie que ne peut en fournir l ATP disponible. L ATP doit donc être régénéré au cours d un effort. Les documents 2 et 3 permettent de voir quelques modalités de cette régénération. Dans le document 2, les individus qui ont suivi un régime supplémenté en créatine ont une concentration musculaire d ATP légèrement supérieure à des individus témoins alors qu ils possèdent la même concentration d ATP au début de l exercice. Ces résultats indiquent que la créatine favorise la régénération d ATP au cours d un exercice. Ainsi, lors d efforts soutenus et brefs, la créatine qui était transformée en phosphocréatine permet de régénérer l ATP. D après le document 3, plus l effort fourni par les quadriceps est intense, plus la diminution du glycogène est rapide. Ces résultats montrent que la dégradation du glycogène permet de régénérer l ATP. L intensité de l effort étant mesuré en pourcentage de VO 2 max, cela suggère que le glycogène est utilisé lors de la respiration, ce qui permet la production d ATP. Un effort trop intense entraîne un arrêt prématuré de l exercice. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 3 5

34 Lors d une course à pied de 100 m, la quantité d ATP diminue progressivement au cours de l exercice alors que la concentration sanguine en acide lactique est presque multipliée par quatre. Or l acide lactique est le produit final de la fermentation lactique. Ces résultats montrent que lors d un effort bref, l ATP est régénéré dans les fibres musculaires grâce à la fermentation lactique. Enfin, le document 3c montre qu au début d un exercice musculaire, l ATP initialement présent dans la cellule est consommée. Après une seconde, c est la consommation de la réserve de phosphocréatine qui permet de régénérer l ATP nécessaire à l exercice. En moins de 30 s, la fermentation lactique permet de produire l essentiel de l ATP à l origine de l activité musculaire. La respiration devient l élément essentiel de production de l ATP dans les fibres musculaires après 2 min d efforts. Ainsi, les fibres musculaires utilisent l ATP fourni par la fermentation lactique lors d efforts brefs et intenses ou lors de la respiration pour des efforts de plus longue durée et de moindre intensité. La consommation de phosphocréatine pendant les premières secondes sert de secours le temps que la fermentation produise suffisamment d ATP. Pour aller plus loin : L origine de l ATP dans les fibres musculaires dépend de la durée et de l intensité de l effort, mais aussi du type de fibre musculaire et de l entraînement. Ces autres aspects font l objet d exercices de type bac dans le manuel, mais il peut être intéressant de le mentionner aux élèves, ce qui peut limiter leur surprise s ils se retrouvent confronter à ce type de sujet. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 3 6

35 Correction des exercices BAC Entraînement et métabolisme des fibres musculaires La question est simple et implique de comparer systématiquement des sujets entraînés et sédentaires afin de voir les modifications du métabolisme des fibres musculaires et donc d en déduire les effets de l entraînement sur le métabolisme des muscles. Éléments de correction : Document 1 La diminution de glycogène est toujours plus faible chez le sujet entraîné que chez le sujet sédentaire en fonction de l intensité de l effort (mesuré en consommation de dioxygène ici). L entraînement permet donc soit d améliorer la production d ATP à partir du glycogène, soit d améliorer le stockage du glycogène, ce qui entraînerait une diminution plus lente du pourcentage total de glycogène si celui est plus élevé. Document 2 La concentration sanguine d acide lactique dans le sang d un sujet entraîné est toujours plus faible que celle d un sujet non entraîné, quelle que soit l intensité de l effort. L entraînement permet donc de réduire la production d acide lactique, ce qui doit probablement correspondre à une moindre fermentation des fibres musculaires chez un sujet entraîné. Document 3 Chez un sujet entraîné pendant 6 mois, on observe une augmentation de l activité des enzymes de la glycolyse, des enzymes du cycle de Krebs, donc de la respiration, ainsi que des enzymes de l oxydation des lipides. Un sujet entraîné a donc des voies métaboliques plus actives, qui permettent donc de produire davantage d ATP au cours du temps. Ce sont notamment les enzymes impliquées dans la respiration qui sont plus actives. Conclusion Les fibres musculaires de sujets entraînés réalisent moins la fermentation lactique, ont une activité métabolique de la respiration plus intense et consomment moins vite leur stock de glycogène. L entraînement modifie donc l activité métabolique des fibres musculaires. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 3 7

36 ATP et mouvement flagellaire Ce sujet s intéresse à un autre mouvement dont les mécanismes sont comparables à ceux de la contraction de la fibre musculaire. Il s agit donc d identifier les structures impliquées dans le mouvement et de proposer un mécanisme moléculaire en ayant à l esprit le modèle de la contraction musculaire. Éléments de correction : Document 1 Le flagelle des spermatozoïdes est composé de protéines qui forment une structure régulière. Ce sont les microtubules et les dynéines, des protéines annexes entraînant la cohésion de l ensemble. Document 2 La dynéine change de conformation en présence d ATP ou d ADP. On observe en effet un basculement du site de fixation non permanent aux microtubules d environ 12 nm suite à l hydrolyse de l ATP. La dynéine pourrait donc être le moteur du mouvement, comme l est la myosine dans la contraction musculaire. Document 3 En présence d ATP, on observe un glissement des filaments de microtubules les uns par rapport aux autres. L ATP induit donc un coulissage des microtubules les uns par rapport aux autres en présence de dynéine. Conclusion : Les dynéines agissent comme des moteurs moléculaires qui changent de conformation en fixant de l ATP, en l hydrolysant et en libérant de l ADP dans le hyaloplasme. Par analogie avec la contraction des fibres musculaires et en remplaçant l actine par les microtubules et la myosine par la dynéine, on pourrait proposer le cycle suivant à l origine du battement du flagelle des spermatozoïdes : 1. la dynéine est fixée entre deux microtubules. 2. la fixation d ATP sur la dynéine entraîne son détachement d un microtubule. 3. l hydrolyse de l ATP entraîne un basculement du site de fixation non permanent aux microtubules. 4. la dynéine contenant de l ADP se fixe à nouveau sur le deuxième microtubule. 5. le départ de l ADP de la dynéine entraîne un nouveau basculement du site de fixation non permanent, ce qui déplace le microtubule par rapport par rapport à l autre, d où un mouvement du flagelle. Pour un schéma de correction, il suffit de reprendre le principe du document 3 p. 51 en remplaçant l actine par un microtubule et la myosine par la dynéine. Remarque : Les microtubules ne glissent pas dans le flagelle les uns par rapport aux autres puisque l ensemble est maintenu cohérent par les molécules annexes. Les mouvements de la dynéine entraînent donc des torsions des microtubules à l origine des battements des flagelles. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 3 8

37 Thème 1 La Terre dans l univers et l évolution du vivant Évaluation des capacités expérimentales Comparer deux spectres d absorption Les capacités évaluées ici sont celles relatives au suivi d un protocole et à l application d une démarche explicative permettant d interpréter les résultats obtenus. Les élèves doivent réaliser une extraction correcte des pigments des deux feuilles à étudier, puis comparer les spectres d absorption à l aide d un spectrophotomètre. L'important ici est la qualité de la préparation de la solution de pigment, condition indispensable à l obtention de spectres d absorption exploitables. Capacités testées Acquis En voie d'acquisition Non acquis Réaliser une manipulation Manipulation selon le protocole fourni Respect des différentes étapes du protocole Utilisation maîtrisée du matériel et des produits Exactitude des résultats (observation des spectres dʼabsorption) Organisation et gestion de la paillasse Respect des règles de sécurité Rangement du matériel Appliquer une démarche explicative Mise en relation des connaissances avec les conditions de la manipulation (lien facteurs mesurés et métabolisme) Mise en relation des résultats obtenus avec la question scientifique initiale Concevoir et réaliser un protocole expérimental Les capacités évaluées ici sont celles liées à l élaboration d un protocole expérimental, puis de sa réalisation en vue de tester une hypothèse concernant le métabolisme des cellules étudiées. Les élèves étant familiarisés avec l Expérimentation Assistée par Ordinateur (ExAO), la conception et la réalisation d un protocole expérimental visant au suivi de la consommation en dioxygène, en dioxyde de carbone ou en éthanol ne devrait pas poser de difficultés majeures. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Thème 1 ECE PSP 1

38 L'important ici est de justifier correctement l utilisation des sondes, de les manipuler avec précaution et d obtenir un graphique interprétable. Capacités testées Acquis En voie d'acquisition Proposer une démarche de résolution par lʼexpérimentation et la mesure Choix raisonné du matériel. Relation hypothèse/conséquence vérifiable Identification des facteurs à mesurer Utiliser des techniques de mesure Non acquis Manipulation selon le protocole élaboré Utilisation correcte dʼinstruments de mesure ExAO Utilisation maîtrisée des fonctionnalités du logiciel Lisibilité des résultats Cohérence ou exactitude des résultats Organisation et gestion de la paillasse Respect des règles de sécurité Rangement du matériel Appliquer une démarche explicative Mise en relation des connaissances avec les conditions de la manipulation (lien facteurs mesurés et métabolisme) Mise en relation des résultats obtenus avec la question scientifique initiale Pour en savoir plus La phase chimique : le cycle de Calvin 1. Lorsque les cellules sont éclairées, les teneurs en PGA et en C5P2 sont constants. Dès que les cellules sont placées à l obscurité, la teneur en C5P2 diminue alors que la teneur en PGA augmente. Ces résultats montrent que le PGA permet la formation de C5P2 et nécessite des produits de la phase photochimique. À la lumière et en présence de CO 2, les teneurs en C5P2 et en PGA sont constants, mais dès qu il n y a plus de CO 2 dans le milieu, la teneur en PGA diminue tandis que la teneur en C5P2 augmente. Ces résultats montrent que le CO 2 réagit avec le C5P2 et permet la formation de PGA. Un cycle vient ainsi d être mis en évidence au cours de la phase chimique. Le C5P2 s associe au CO 2 afin de former du PGA tandis que le PGA permet la formation de C5P2. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Thème 1 ECE PSP 2

39 2. Ces résultats sont tout à fait en accord avec le cycle de Calvin, puisque le CO 2 permet la formation de PGA à partir de C5P2 tandis que le PGA aboutit, après un ensemble de réactions, à la formation de C5P2. 3. La synthèse de matière organique, comme les glucides, est réalisée à partir de triose phosphate C3P, intermédiaire entre le PGA et le C5P2. Le fonctionnement de l ATP synthase 1. Le suivi vidéo montre une rotation du filament d actine au cours du temps, selon un axe qui correspond à la tête de l ATP synthase. Ces résultats montrent que la tête de l ATP synthase est donc capable de rotation autour de la sousunité gamma. Cette réaction n est possible qu en présence d ATP. Dans l expérience, l hydrolyse de l ATP est à l origine de cette rotation, la synthèse d ATP est donc également à l origine de rotation, vraisemblablement dans le sens inverse de celui observé au cours de l expérience. 2. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Thème 1 ECE PSP 3

40 Thème 2 Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l avenir Ce second thème, consacré aux sciences de la Terre, s inscrit dans le volet «Enjeux planétaires contemporains» ; il s agit donc de montrer comment la discipline participe à l appréhension rigoureuse de grands problèmes auxquels l humanité d aujourd hui se trouve confrontée, comme l évolution climatique actuelle, en relation avec les choix de développement de nos sociétés. Au-delà de la préoccupation citoyenne qui prépare chacun à l exercice de ses responsabilités individuelles et collectives, la perspective utilisée ici conduit aux métiers de la gestion publique, aux professions en lien avec la dynamique de développement durable et aux métiers de l environnement (climatologie, recherche sur les énergies alternatives, recherche sur les processus de stockage de CO 2, aménagement du territoire en relation avec l évolution possible du niveau marin). L enseignement de spécialité de sciences de la vie et de la Terre prépare l élève à une poursuite d études dans les domaines scientifiques propres à la matière en renforçant l acquisition des connaissances et démarches spécifiques qui y sont associées. Cependant, les compétences développées par l élève dans ce cadre pourront aussi lui permettre de s engager avec une vision élargie vers des études privilégiant les deux autres pôles scientifiques que constituent les sciences physiques et chimiques ou les mathématiques. L enseignement de spécialité se doit d être délibérément concret. Les objectifs de connaissance sont ainsi modestes, mais ils doivent être acquis grâce à la mise en œuvre de démarches d investigation privilégiant dans ce thème l observation, le raisonnement, l exploitation de modélisations, le débat argumenté. Les démarches ainsi entreprises doivent offrir une place prépondérante à l initiative de l élève, au développement de son autonomie et de ses compétences. Les capacités méthodologiques mises en œuvre au travers de ce thème portent sur la microscopie, l expérimentation (éventuellement assistée par ordinateur), l analyse du terrain, la recherche documentaire, éventuellement la modélisation numérique. Sur le fond, ce thème vise à présenter le climat comme une résultante d interactions plus ou moins complexes entre les enveloppes fluides de la Terre, la biosphère et la géosphère. Les dynamiques des enveloppes fluides ont été présentées en relation avec l énergie solaire qui les anime au cours des enseignements de la classe de 2 de ; le cycle simplifié de l eau a aussi été abordé au cours de ces mêmes enseignements. Des interactions entre biosphère, géosphère et les enveloppes fluides ont aussi été présentées dans l enseignement spécifique au travers du thème 1B : ainsi altération et sédimentation sont abordés dans le chapitre 9 «La disparition des reliefs» et illustrent des échanges de dioxyde de carbone entre les enveloppes fluides et la lithosphère dans lesquels peuvent être impliqués des êtres vivants. Sans chercher l exhaustivité, l objectif de ce thème est d aborder quelques aspects de la relation entre histoire des enveloppes fluides de la Terre et histoire du climat. Il est important de faire comprendre aux élèves que la compréhension, au moins NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Thème 2

41 partielle, de la complexité de ces interactions est un préalable qui permet de mettre au point des modèles d évolution du climat consécutivement aux différents scénarios retenus concernant l évolution de la composition de l atmosphère. C est au regard de ces modèles que l Homme peut alors opérer des choix éclairés en vue d opter pour des modèles de développement limitant son impact sur son environnement, c est-à-dire pour une gestion raisonnée de son influence. Nous avons choisi de découper ce thème en deux chapitres. Le chapitre 4 «Évolutions récentes du climat et de l atmosphère» permet de présenter les évolutions couplées du climat et de la composition de l atmosphère depuis ans. Ces évolutions récentes constituent la base principale pour élaborer les modèles d évolution du climat en relation avec l évolution de la composition atmosphérique en gaz à effet de serre. En effet, à cette échelle de temps, d autres facteurs susceptibles d influencer le climat comme les variations de position des masses continentales, les variations du taux d activité des dorsales, etc., peuvent être négligés. C est donc sur la base des variations récentes du couple climat atmosphère que se fondent les scénarios d évolution climatique proposée pour le XXI e siècle ; cette approche constituant un enjeu d actualité, il nous a paru souhaitable de l aborder en entrée de ce thème. Cependant, le chapitre 5 permettra de montrer que le climat et l atmosphère ont évolué beaucoup plus largement au cours de l histoire de la Terre, depuis 4,55 Ga ; les variations récentes et actuelles s inscriront alors dans un cadre plus large. À ce titre, les élèves pourront découvrir le paradoxe suivant lequel la teneur de l atmosphère en CO 2 n a probablement jamais été plus faible qu au cours de ce dernier million d années, ce qui ne doit pas pour autant signifier que les évolutions actuelles n ont pas d importance. Le chapitre 4 prend ainsi en compte les objectifs suivant du programme : «Les bulles d air contenues dans les glaces permettent d étudier la composition de l air durant les dernières années y compris des polluants d origine humaine. La composition isotopique des glaces et d autres indices (par exemple la palynologie) permettent de retracer les évolutions climatiques de cette période.» «L effet de serre, déterminé notamment par la composition atmosphérique, est un facteur influençant le climat global. La modélisation de la relation effet de serre/climat est complexe. Elle permet de proposer des hypothèses d évolutions possibles du climat de la planète notamment en fonction des émissions de gaz à effet de serre induites par l activité humaine.» Il privilégie dans un premier temps l exposé des faits : données de la glaciologie, données de l étude d accumulations sédimentaires. Ces faits permettent, via la présentation de méthode d interprétation, de proposer des idées relatives aux variations récentes du climat. Les données glaciologiques permettent également d accéder à d autres faits : les variations périodiques de composition de l atmosphère en un certain nombre de gaz. L effet de serre étant présenté, et la coïncidence des périodes relatives aux variations du climat et de l atmosphère étant constatée, il est alors possible de se placer dans le cadre d une recherche de relation(s) de causalité entre variations du climat et de l atmosphère. De nouveaux faits sont alors introduits : variations des paramètres orbitaux terrestres, variations d albédo en fonction de l englacement polaire, variation de la solubilité du CO 2 dans l eau en fonction de NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Thème 2

42 la température ; ils doivent permettre aux élèves de proposer une idée argumentée relative aux évolutions périodiques récentes du couple climat atmosphère. Le dernier volet du chapitre se place quant à lui dans le cadre d un fait actuel : le changement climatique en cours en relation avec l augmentation de la teneur de l atmosphère en gaz à effet de serre consécutivement aux activités humaines. Les modélisations mises en œuvre par les climatologues permettent de disposer d idées relatives aux évolutions climatiques probables à court terme en fonction des scénarios de développement retenus, et donc d éclairer le choix d attitudes citoyennes soucieuses d un développement durable préservant les grands équilibres environnementaux. Dans le chapitre 5 «Atmosphère et climat aux grandes échelles de temps», l accent est tout d abord porté sur l évolution de la composition de l atmosphère depuis 4,55 Ga. Le chapitre 5 prend ainsi en compte les objectifs suivant du programme : «L atmosphère initiale de la Terre était différente de l atmosphère actuelle. Sa transformation est la conséquence, notamment, du développement de la vie. L histoire de cette transformation se trouve inscrite dans les roches, en particulier celles qui sont sédimentaires.» «Sur les grandes durées (par exemple pendant le dernier milliard d années), les traces de variations climatiques importantes sont enregistrées dans les roches sédimentaires. Des conditions climatiques très éloignées de celles de l époque actuelle ont existé.» Là encore, des faits (des données) sont proposés pour permettre à l élève d approprier une idée quant à la composition de l atmosphère primitive. De même, des données sur diverses roches sédimentaires et des résultats expérimentaux faits- permettent de formuler des idées sur les modalités d évolution de l atmosphère au cours du temps. Dans la seconde partie de ce même chapitre, nous avons choisi d illustrer comment les roches sédimentaires peuvent par leur nature et les fossiles qu elles sont à même de renfermer témoigner de variations du climat au cours des temps géologiques ; l interaction faits idées repose ici sur l application du principe d actualisme. Même si le programme prévoit de n étudier qu un seul exemple, nous en avons proposé plusieurs ce qui permet à l enseignement de n en traiter qu un seul, ou suivant une approche que nous avons voulu privilégier de concevoir un travail en groupe, chaque élève ne travaillant ainsi que sur un exemple mais bénéficiant au terme des activités de la diversité des approches possibles. Cette réflexion se prolonge par la recherche de quelques causes pouvant expliquer certaines des variations climatiques qui ont marqué l histoire de la Terre. Il est important de rappeler à ce propos qu il ne faut surtout pas viser l exhaustivité dans cette dernière approche, aussi bien concernant les variations du climat depuis 4,55 Ga que concernant les causes de ses variations. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Thème 2

43 RESSOURCES Ouvrages généraux et spécialisés Sciences de la Terre et de l Univers, J.-Y. Daniel, A. Brahic, M. Hoffert, A. Schaaf, M. Tardy, Vuibert, Comprendre et enseigner la planète Terre, J.-M. Caron, A. Gauthier, J.-M. Lardeaux, A. Schaaf, J. Ulysse, J. Wozniak, Ophrys, Géologie : objets, méthodes et modèles, 12 e édition, J. Dercourt, J. Paquet, P. Thomas, C. Langlois Dunod, Éléments de géologie, C. Pomerol, Y Lagabrielle, M. Renard, Dunod, Paléoécologie Paysages et environnements disparus, J.C. Gall, Masson, Les climats passés de la Terre, M. Rotaru, J. Gaillardet, M. Steinberg, J. Trichet, SGF Vuibert, Paléoclimats, J.-F. Deconinck, SGF Vuibert, Le pollen, A.-M. Lézine, SGF Vuibert, Coraux et récifs, archives du climat, L. Montaggioni, SGF Vuibert, Atmosphère, océan et climat. Pollutions, climat, risques naturels, R. Delmas, S. Chauzy, J.- M. Verstraete, H. Ferre, Bibliothèque scientifique Pour la Science, Belin, Géologie tout-en-un, Pierre Peycru et coll., Dunod, Dictionnaire de géologie, A. Foucault, J.-F Raoult, Dunod, Articles et publications «Le changement climatique», Revue Géosciences, BRGM, mars «La menace climatique», Science et vie, Dossier spécial, décembre « ans d histoire du climat», Pour la Science, n 355, mai «Réchauffement climatique : le temps des certitudes», Pour la Science, n 360, octobre «La vie au temps des mammouths», Dossier Pour la Science, avril-juin «La datation des archives glaciaires», Dossier Pour la Science, janvier-mars «Le climat», Dossier Pour la Science, janvier-mars «Comment estimer le changement climatique», Dossier Pour la Science, juillet-septembre «Paul-Emile Victor Au bout du monde», Les génies de la Science, mai-juillet «L effet de serre», n spécial La Recherche, n 243, mai «Les calottes glaciaires, témoins de l environnement», La Recherche n 331, mai NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Thème 2

44 Sites internet Des sites généraux : Des sites plus spécialisés : Puits océanique de CO2 : Forçage climatique : Rapport de synthèse du GIEC : Coraux et climats : php Des sites proposant des informations sur les métiers : NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Thème 2

45 Chapitre 4 Évolutions récentes du climat et de l atmosphère Objectifs généraux Ce chapitre a pour objet de présenter les évolutions climatiques et les variations de la composition atmosphérique au cours des dernières années. Cette étude permet de s interroger quant aux interactions qui existent entre climat global de la planète et composition de l atmosphère qui l entoure ; c est notamment dans ce cadre qu est introduit l effet de serre qui, au-delà du facteur essentiel que constitue la distance séparant la Terre du Soleil, en constitue un autre également déterminant du climat global. Ce chapitre a également pour objet de montrer que la compréhension, même partielle, de la relation existant entre composition atmosphérique et climat permet aux géologues et aux climatologues de proposer des scénarios possibles d évolution du climat en fonction des émissions de gaz à effet de serre induites par l'activité humaine. Ces scénarios permettent à l Homme d évaluer son impact sur les grands équilibres planétaires et d envisager une gestion raisonnée de son influence. Au cours de toute cette approche, il est important de souligner la diversité des objets étudiés (glaces, sédiments océaniques, pollens) et des méthodes employées (déterminations de rapports isotopiques, dosages chimiques, observations microscopiques, etc.), et de distinguer nettement les données (FAITS) et les modèles climatiques (IDÉES) qu elles permettent d élaborer compte tenu des raisonnements adoptés. Alors que la composition de l atmosphère peut être mesurée dans des bulles d air contenues dans les glaces anciennes, il n est pas possible de disposer de mesures directes de la température de surface de la Terre avant 1659 (début des mesures en Europe) ; les variations de température moyenne globale reconstituées pour les dernières années sont donc des modèles mettant en œuvre des démarches inverses, très fréquemment utilisées dans le domaine des Sciences de la Terre. Nous insisterons sur ce point en l illustrant par la mise au point d un thermomètre isotopique. Si ce chapitre doit permettre de sensibiliser les étudiants à l usage de telles démarches et à l importance de la distinction données/modèles (ou faits/idées), il doit également permettre de souligner l interdisciplinarité de la démarche engagée par le recours aux mesures physiques d une part, mais aussi par la mise en œuvre d algorithmes complexes permettant de modéliser les bases de la relation liant climat global de la Terre à la composition de son atmosphère et aux variations d insolation de la planète. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 4 1

46 Au-delà de ces divers objectifs, il ne faut pas s engager dans une étude exhaustive des facteurs influençant le climat global de la Terre ; ainsi l effet de serre est le seul facteur dont les élèves doivent connaître l influence. Les variations d insolation liées aux variations conjointes de l activité du Soleil et des paramètres orbitaux terrestres peuvent être abordés mais ne font pas partie des connaissances exigibles au Baccalauréat ; il en est de même vis-à-vis des variations de l albédo de la Terre, non cité dans le programme officiel. Concernant les échanges de dioxyde de carbone entre l océan et l atmosphère qui constituent aussi des mécanismes susceptibles d influencer le climat, il semble important de les privilégier dans la mesure où ils sont à l origine de variations de la teneur en dioxyde de carbone de l atmosphère, et donc de l effet de serre. Concernant les impacts climatiques récents consécutifs aux rejets anthropiques de gaz à effet de serre (dioxyde surtout), il est important de discriminer parmi les variations constatées depuis le début du XX e siècle, celles liées au forçage naturel (variations de l activité solaire, variations d opacité de l atmosphère qui influent sur l insolation nette incidente à la surface du sol de la planète) de celles qui paraissent liées à un forçage «anthropique», c'est-à-dire un effet de serre additionnel consécutif aux rejets de gaz liés aux activités humaines. Parmi les scénarios établis par les experts du GIEC, il importe de comprendre comment, sur la base d hypothèses relatives à la progression des rejets de gaz à effet de serre au cours du XXI e siècle, il est possible de modéliser l évolution du climat global de la Terre avec, pour chaque scénario, une projection en termes d augmentation de la température moyenne globale à l horizon 2100, à laquelle est associée une marge d incertitude liée à la complexité des rapports précédemment établis entre atmosphère, hydrosphère et climat. Du point de vue des capacités et des compétences, ce chapitre est l occasion pour les élèves de réinvestir les savoir-faire acquis dans les classes antérieures ou parallèlement dans l enseignement obligatoire, et relatifs à : la saisie d informations parmi des données de natures diverses (rapports isotopiques, diagramme pollinique), dans le but de caractériser les évolutions récentes du climat global de la Terre et de sa composition atmosphérique ; la mise en œuvre d un protocole de mesures pour préciser la nature des échanges possibles de dioxyde de carbone entre océan et atmosphère dans le cadre de variations de température ; l exploitation de modèles dans le but de prévoir l évolution probable du climat sous l influence de l Homme, en fonction des choix de développement sur lesquels il est lui-même en mesure d influer. Progression retenue dans le chapitre L activité 1 permet de mettre en évidence des variations climatiques à partir de l étude isotopique de la glace des calottes polaires. Dans un premier temps, la réflexion porte sur la mise au point d un thermomètre isotopique étalonné à partir de l étude des précipitations neigeuses actuelles ; dans un second temps, les variations des compositions isotopiques des glaces d âges différents, prélevées par forage dans les calottes de l Antarctique et du Groënland, sont fournies de NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 4 2

47 manière à ce que les élèves utilisent le thermomètre isotopique et proposent une interprétation climatique aux mesures isotopiques. L activité 2 se propose de compléter et de confirmer les résultats précédents par l interprétation climatique des données géochimiques extraites des accumulations sédiments, aussi bien océaniques que continentales. Elle permet, par la diversité des données exploitées (nature, localisation) et la similitude des conclusions dégagées en termes de variations climatiques, de renforcer la validité des conclusions tirées de l étude des glaces. L activité 3 permet d aborder les variations de la composition de l atmosphère au cours des dernières années, et le lien intime qui place cette composition au cœur de la problématique climatique : l effet de serre joué par certains gaz présents dans cette atmosphère. Elle permet de formuler le problème relatif aux causes des variations climatiques sachant que ces seules fluctuations de teneur en gaz à effet de serre n apparaissent pas suffisantes pour rendre compte des variations climatiques réellement estimées. Au terme de ces trois activités, les constats ont donc été établis, montrant l existence de variations périodiques du climat et de la composition de l atmosphère, notamment en ce qui concerne les gaz à effet de serre, durant les dernières années. Il reste alors à préciser le schéma suivant lequel ces variations paraissent se dérouler (élément déclenchant, paramètres amplificateurs) en insistant sur le fait que l effet de serre n est qu un facteur intervenant au cours d une série de modifications dont le détail n est pas à connaître. L activité 4 a justement pour objet de s intéresser à plusieurs mécanismes contribuant aux variations climatiques. Les variations de l insolation saisonnière à chaque endroit de la surface du globe sont introduites et permettent d évoquer les fluctuations périodiques des paramètres orbitaux terrestres comme une cause possible d éléments déclencheurs. Les variations de l albédo et les modifications de la solubilité du CO 2 dans les eaux océaniques permettent d illustrer la complexité d une variation climatique, depuis son déclenchement jusqu à son aboutissement ; elles permettent notamment de comprendre que si les fluctuations de ces paramètres, prises individuellement les unes par rapport aux autres, ne permettent pas de rendre compte de l ampleur des variations reconstituées au cours des dernières années, leur conjonction offre une explication plus satisfaisante. L activité 5 donne l occasion d illustrer l idée d «enjeux planétaires contemporains» en montrant comment la compréhension des relations liant climat et atmosphère durant la période récente des dernières années permet d élaborer des modélisations visant à prévoir l impact des modifications chimiques que l Homme imprime à l atmosphère par le biais de ses rejets de gaz à effet de serre. Des hypothèses d évolution de la composition atmosphérique sont présentées avec en parallèle leurs perspectives climatiques respectives ; elles doivent permettre à l élève de renforcer sa réflexion scientifique dans l adoption d une démarche citoyenne responsable et soucieuse de la préservation des grands équilibres planétaires. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 4 3

48 Proposition de programmation hebdomadaire A priori, la réalisation de ce chapitre est envisageable sur une période de quatre semaines. Au cours d une première semaine, on met en évidence des variations périodiques du climat global à partir des données isotopiques issues de l étude des glaces et des sédiments océaniques. Cette approche permet d aborder la notion de δ 18 O, ses différentes formes en fonction des rapports de référence utilisés ; pour les glaces, le δd est également introduit. Les acquis relatifs au cycle de l eau sont remobilisés. Il est ainsi mis en évidence des variations climatiques périodiques au cours des dernières années ; la coïncidence temporelle de ces variations, établies en des endroits très différents, sur les continents polaires et dans les océans, souligne leur caractère global. Au cours d une deuxième semaine, il est possible de compléter l approche entreprise par la prise en compte des données issues de l étude des pollens. Cela peut être l occasion de compléter l activité proposée (document 2, activité 2) par la réalisation d une observation de pollens extraits de tourbe et de leur identification en utilisant une fiche d identification ; ce dernier travail constitue alors une activité pratique préparant aux exercices BAC (p ). Au cours de cette même séance, l évolution de la composition atmosphérique est abordée. Un constat est posé concernant son évolution périodique au cours des dernières années, évolution qui coïncide avec celle du climat global de la Terre durant cette même période. L effet de serre est alors présenté ainsi que son incapacité à expliquer seul, l ampleur des variations climatiques déterminées. Durant la troisième semaine, le problème de l origine des variations climatiques est abordé sous forme d une tâche complexe afin de laisser aux élèves l initiative de leur démarche. Le matériel nécessaire à la mise en œuvre du protocole proposé est mis à disposition des élèves ; ils pourront donc travailler préférentiellement sur la base de leurs résultats expérimentaux. La quatrième semaine peut être consacrée à l étude des conséquences prévisibles sur le climat des modifications de la composition atmosphérique consécutive aux activités humaines par le biais de rejets de gaz à effet de serre (activité 5). Elle peut être prolongée par l étude de quelques documents supplémentaires proposés pour rendre compte des évolutions d autres paramètres globaux couplés aux variations du climat comme par exemple les variations du niveau marin (Pour en savoir plus, p ). NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 4 4

49 Activité 1 La glace, mémoire récente du climat (p. 66 à 67) 1. Les instructions officielles prises en compte La composition isotopique des glaces et d'autres indices (par exemple la palynologie) permettent de retracer les évolutions climatiques de cette période. Les élèves doivent connaître les apports essentiels de la glaciologie. Aucun autre argument n'est exigible, mais les élèves devront pouvoir étudier des documents permettant de les mettre en évidence. 2. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports L objectif de cette première double page est de présenter les apports de la glaciologie à l étude du climat global au cours des dernières années. C est tout d abord la présentation d une méthode d exploitation des glaces polaires à des fins paléoclimatiques (document 1) ; il s agit donc de découvrir les données sur lesquelles s appuie l étalonnage d un thermomètre isotopique, c'est-à-dire l approche directe qui supporte la méthode inverse utilisée ensuite en paléoclimatologie. Cette méthode s appuie sur l existence de différents isotopes stables de l oxygène et de l hydrogène, présents dans des proportions moyennes connues et objets d un fractionnement (tri chimique) lors des changements d état dont l eau est l objet au cours du cycle dans lequel elle est engagée à la surface de la Terre. Ce cycle a été présenté en classe de Seconde en relation avec l énergie solaire qui l anime. Des basses aux moyennes latitudes, l évaporation au-dessus des océans privilégie le prélèvement d eau depuis l océan, sous forme de vapeur, enrichie en 16 O (δ 18 O <0). Le déplacement des masses d air humide vers les plus hautes latitudes s accompagne de leur condensation progressive et de la chute de précipitations dans lesquelles l eau est enrichie en 18 O. De ce fait, en se dirigeant vers les hautes latitudes, le δ 18 O de l eau contenue dans les masses d air diminue donc peu à peu ; il est de même pour les précipitations qu elles laissent échapper en se dirigeant vers le pôle, au fur et à mesure que la température moyenne diminue également. Cette diminution peut être constatée en reportant sur un diagramme les λ 18 O des précipitations neigeuses qui atteignent le sol dans les régions arctiques et antarctiques, et la température moyenne à l endroit où ces cristaux sont tombés. Des mesures des rapports isotopiques de l hydrogène peuvent aussi être réalisées ; le deutérium (noté D), isotope stable de l hydrogène, suit exactement les mêmes types de fractionnement que 18 O. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 4 5

50 L ensemble de ces données permet de vérifier les propriétés précédemment énoncées concernant le fractionnement isotopique au cours du cycle de l eau, et de construire deux «droites abaques» à partir desquelles il devient possible d envisager une approche inverse. Ce diagramme constitue alors un thermomètre isotopique. Dans la démarche inverse, qui est celle que vont adopter les élèves, on mesure les rapports isotopiques de l eau de «glaces fossiles» prélevées par forage à un endroit donné, et on reporte cette valeur sur l abaque adaptée en fonction du couple isotopique utilisé. Ceci permet alors de déterminer, sans mesure directe, la température à l époque où se sont formés ces cristaux de neige à cet endroit. À un même endroit, les variations de température déduites d une telle approche sont susceptibles de refléter une évolution climatique locale. La mise en évidence de variations semblables et synchrones, dans de multiples endroits de la surface du globe (zone arctique et zone antarctique notamment) est alors un indice d une évolution climatique globale. Remarques : Il est important de souligner à ce stade un second intérêt, pour entreprendre un tel raisonnement, de considérer plusieurs endroits et des glaces relativement récentes, dont l âge est inférieur à 1 Ma. En effet, les élèves ont vu en 1 re S que les continents sont des portions émergées de plaques lithosphériques en mouvement les unes par rapport aux autres ; a priori, des variations de température pourraient donc aussi être dues à des mouvements lithosphériques à forte composante latitudinale. La prise en compte de plusieurs sites et la similitude des fluctuations mises en évidence réfutent l hypothèse de variations dues à cette mobilité ; en effet cela supposerait que les divers sites de mesure aient été l objet, sur des plaques distinctes, de mouvements ayant des répercussions «climatiques» locales similaires : ceci est fort peu probable. De plus, les ordres de grandeur des vitesses de déplacement des plaques, de l ordre de 1 à 10 cm/an sont tout au plus de l ordre de la dizaine de kilomètres par million d années, ce qui n est pas en mesure d expliquer les variations de température réellement déduites de l étude des glaces depuis ans. Il est aussi important de revenir sur la nature même des données : des rapports isotopiques. Ce sont des mesures physiques qui doivent donc être considérées avec leur marge d incertitude relative. Suivant l ordre dans lequel les chapitres de l enseignement de spécialité seront menés par rapport à ceux de l enseignement obligatoire : - si le chapitre sur «Les caractéristiques du domaine continental» a été traité et la radiochronologie présentée, il convient de demander aux élèves sur quelle hypothèse relative à l évolution de la glace au cours du temps repose en grande partie la validité de la démarche engagée ; ils doivent alors être en mesure de mentionner l hypothèse de système chimique clos dans laquelle s inscrit cette méthode. - si ce chapitre n a pas été traité, cette réflexion pourra être menée avec eux. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 4 6

51 Ces constats ayant été posés, les variations de température déduites de l étude des glaces polaires peuvent donc être considérées comme de véritables marqueurs des variations du climat global de la Terre. Les résultats (mesures des rapports isotopiques et expression sous forme de δ 18 O ou δd) issus de l analyse des glaces peuvent donc être introduits (document 2). Le choix d exprimer les résultats pour un cas en δ 18 O, et pour l autre en δd, est motivé par le fait que le programme ne précise pas d élément particulier auquel on doit se limiter ; il l est aussi par le fait que suivant les endroits, la qualité de l enregistrement de ces rapports diffère : en Antarctique, la fiabilité des mesures est meilleure en ce qui concerne les rapports de l hydrogène, alors qu au Groënland les mesures des rapports de l oxygène sont plus fiables. 3. Guide d exploitation : production élèves attendues 1. Dans les régions polaires, les rapports isotopiques de la neige en oxygène (δ 18 O) et en hydrogène (δd) augmentent avec la température moyenne à laquelle se forment ses cristaux. Ceci est lié aux tris qui se réalisent entre les isotopes de ces deux éléments au cours des changements d état que l eau subit durant les étapes qui la conduisent de l océan aux précipitations neigeuses qui retombent sur les continents. Ainsi, des basses aux moyennes latitudes, l évaporation au-dessus des océans privilégie le prélèvement d eau depuis l océan, sous forme de vapeur, enrichie en 16 O (δ 18 O <0). Le déplacement des masses d air humide vers les plus hautes latitudes s accompagne de leur condensation progressive et de la chute de précipitations dans lesquelles l eau est enrichie en 18 O. De ce fait, en se dirigeant vers les hautes latitudes, le δ 18 O de l eau contenue dans les masses d air diminue donc peu à peu ; il est de même pour les précipitations qu elles laissent échapper en se dirigeant vers le pôle, au fur et à mesure que la température moyenne diminue également. Le deutérium (noté D), isotope stable de l hydrogène, suit exactement les mêmes types de tri que 18 O, d où une évolution similaire du δd dans les cristaux de neige en fonction de la température. 2. En Antarctique, on a pu mettre en évidence une relation de variation linéaire entre les valeurs des rapports isotopiques en hydrogène des précipitations neigeuses tombées à un endroit donné et la température moyenne annuelle qui le caractérise ; cette relation constitue un «thermomètre isotopique». En supposant que cette relation soit applicable aux précipitations neigeuses anciennes, il est alors possible d interpréter l évolution des rapports isotopiques mesurés dans les glaces antarctiques en fonction de leur profondeur d échantillonnage dans la calotte glaciaire, c est-à-dire de leur âge, en termes de variations des températures annuelles moyennes au cours du temps à l endroit du forage. Ainsi, en Antarctique, le δd des glaces oscille périodiquement depuis ans ; des périodes de réchauffement succèdent à des périodes de refroidissement approximativement tous les ans. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 4 7

52 La dernière grande période froide a eu lieu il y a approximativement ans. Au cours de ces dernières années, il semble enfin que les phases de réchauffement soient relativement brutales comparativement aux phases de refroidissement qui semblent s installer plus progressivement. 3. Au Groënland, on a pu mettre en évidence une relation de variation linéaire entre les valeurs des rapports isotopiques en oxygène des précipitations neigeuses tombées à un endroit donné et la température moyenne annuelle qui le caractérise ; cette relation constitue un «thermomètre isotopique». En supposant que cette relation soit applicable aux précipitations neigeuses anciennes, il est alors possible d interpréter l évolution des rapports isotopiques mesurés dans les glaces du Groënland en fonction de leur profondeur d échantillonnage dans la calotte glaciaire, c est-à-dire de leur âge, en termes de variations des températures annuelles moyennes au cours du temps à l endroit du forage. Ainsi, au Groënland, le δ 18 O des glaces oscille souvent depuis ans mais tend à diminuer progressivement entre ans et ans, augmente rapidement entre ans et ans : un refroidissement d installation très progressive s est donc mis en évidence au cours de première période, suivi d un réchauffement rapide durant la seconde. 4. En Antarctique, le D des glaces oscille périodiquement depuis ans ; des périodes de réchauffement succèdent à des périodes de 18 refroidissement approximativement tous les ans. L étude du O dans les glaces du Groënland confirme ces conclusions au cours des dernières années : le climat s est refroidi progressivement entre ans et ans et s est ensuite réchauffé rapidement entre et ans. La correspondance entre les variations déduites de l étude de différentes régions valide l idée de variations climatiques globales. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 4 8

53 Activité 2 Des fossiles, témoins des variations climatiques (p. 68 à 69) 1. Les instructions officielles prises en compte La composition isotopique des glaces et d'autres indices (par exemple la palynologie) permettent de retracer les évolutions climatiques de cette période. Les élèves doivent connaître les apports essentiels de la glaciologie. Aucun autre argument n'est exigible, mais les élèves devront pouvoir étudier des documents permettant de les mettre en évidence. 2. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports Cette double page permet de confirmer les conclusions précédemment déduites de l étude des glaces polaires concernant l évolution récente du climat ; elle s appuie sur deux types de données complémentaires, d où l articulation en deux documents. La signature isotopique des tests carbonatés de foraminifères benthiques contenus dans les sédiments océaniques (document 1). Cette étape permet de réinvestir la méthode abordée en glaciologie avec : une démarche inverse (interprétation du δ 18 O des restes plus ou moins anciens de foraminifères) s appuyant sur les résultats d une approche directe (lien entre des tests de foraminifères actuels et composition isotopiques des eaux océaniques) ; l exploitation d un δ 18 O qui est pour ce type de matériel défini sur la base d un référentiel distinct, le rapport isotopique d un rostre de bélemnite datant du Crétacé supérieur. Remarque : Compte tenu que l exploitation de ces données n est pas explicitement mentionnée dans le libellé du programme, l attention des élèves doit être attirée sur le fait que, si des documents relatifs à ce δ 18 O devaient être proposés au baccalauréat, ils nécessiteraient de fournir, comme dans le document 1, toutes les données complémentaires nécessaires à leur interprétation : définition du rapport de référence, relation liant ce δ 18 O et celui de l eau de mer. Le choix des foraminifères benthiques est motivé par le fait que la température des eaux profondes des océans demeurant quasi-constante et proche de 1 à 2 C, le δ 18 O des tests n est pas influencé par d éventuelles variations de la température l eau de leur milieu de vie ; en première approximation, seule la composition isotopique de l eau de mer dans lequel ces organismes puisent les molécules nécessaires à l élaboration de leurs tests influence donc la signature isotopique de ceux-ci. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 4 9

54 Or cette composition isotopique est liée au volume de glace stocké à un moment donné dans les régions polaires, lui même reflet du climat : lorsque ce volume augmente (refroidissement), 16 O est principalement stocké dans les glaces de sorte que le δ 18 O des océans augmente ; l inverse se déroule en cas de réchauffement climatique (débâcle glaciaire). Dans le cas des foraminifères planctoniques, dont on peut aussi analyser les tests contenus dans les sédiments océaniques, la relation entre les variations de leur δ 18 O et les variations du climat est plus complexe à établir même si elle se déchiffre globalement de la même manière : une augmentation de ce δ 18 O peut être interprétée en termes de refroidissement, et inversement une diminution de δ 18 O en termes de réchauffement. Les étapes 6 et 7 du QCM proposé page 79 permettent aux élèves de réfléchir sur ce point particulier. La nature des pollens piégés dans certains sédiments continentaux (document 2) Ce point est explicitement mentionné dans le programme. Nous proposons donc de familiariser les élèves aux raisonnements de la palynologie en s intéressant à la dernière grande débâcle glaciaire. C est l occasion d amener les élèves à mobiliser leurs acquis relatifs à l usage du principe d actualisme. Bien sûr, une activité pratique d observation et d identification des pollens peut être menée en complément de l étude des documents proposés. Nous l avons choisie comme support aux exercices BAC ; elle est explicitée à la fin de ce chapitre. Un diagramme pollinique plus complet et une présentation de la répartition latitudinale des principaux biomes végétaux terrestres sont proposés parmi les documents de l exercice de baccalauréat (pages 80 et 81) où ils permettent de mener une démarche semblable. 3. Guide d exploitation : production élèves attendues 1. Le 18 O des tests carbonatés évolue comme le 18 O des eaux océaniques, lui-même lié au volume de glace stocké à un moment donné dans les régions polaires, et donc reflet du climat. Lorsque ce volume augmente (refroidissement), 16 O est principalement stocké dans les glaces de sorte que le δ 18 O des océans et donc des tests des foraminifères benthiques qui s y forment augmente ; l inverse se déroule en cas de réchauffement climatique (débâcle glaciaire). 2. L étude des sédiments océaniques livre plusieurs informations relatives à l évolution récente du climat : au cours des derniers ans, le climat de la Terre semble marqué par la succession de phases majeures de refroidissement et de réchauffement, approximativement tous les ans. Il semble que les refroidissements soient plus progressifs et les réchauffements plus rapides. 3. Dans la tourbière de La Cousteix, les pollens les plus profondément échantillonnés et intégrés à des sédiments dont l âge varie entre et ans font apparaître une présence massive d espèces caractéristiques de climat froid (espèces herbacées dominantes et forte présence de l Armoise) ; à partir de ans, la proportion de pollens provenant d espèces NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 4 10

55 arborescentes augmente jusqu à ans avec tout d abord des espèces de climat tempéré froid (Bouleau et Pin) puis des espèces de climat tempéré (Chêne et Noisetier). L évolution des pollens récupérés dans cette tourbière met donc en évidence un réchauffement climatique entre ans et ans ; ce réchauffement a été ponctué d une courte période plus froide entre ans et ans. 4. L étude des sédiments océaniques permet de mettre en évidence des variations climatiques synchrones à celles établies à partir des études glaciologiques ; l analyse des pollens dans la tourbière de La Cousteix confirme enfin le réchauffement climatique qui a fait suite à la dernière période glaciaire entre ans et ans. La correspondance entre les variations déduites de l étude de différentes régions, arctique, antarctique et continentales, valide l idée de variations climatiques globales. Activité 3 Histoire récente de l atmosphère (p. 70 à 71) 1. Les instructions officielles prises en compte Les bulles d'air contenues dans les glaces permettent d'étudier la composition de l'air durant les dernières années y compris des polluants d'origine humaine. L'effet de serre, déterminé notamment par la composition atmosphérique, est un facteur influençant le climat global. La modélisation de la relation effet de serre/climat est complexe. 2. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports Cette activité permet de compléter les apports de la glaciologie à l étude des relations climat atmosphère en proposant les données tirées de l analyse des bulles d air contenues dans les glaces (document 1). Ces données permettent : d attirer l attention sur la périodicité des variations constatées, périodicités similaires à celles établies pour le climat ; de faire réfléchir les élèves quant à l hypothèse principale sur laquelle repose cette étude, à savoir considérer les glaces comme un système chimique clos depuis le piégeage des bulles d air jusqu à l analyse de leur composition. Remarque : Des fichiers de mesure des teneurs des glaces polaires dans les principaux gaz étudiés sont disponibles. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 4 11

56 Dans le second volet de cette activité (document 2), les différentes informations proposées doivent permettre aux élèves de définir et de schématiser l effet de serre, en soulignant le rôle privilégié du CO 2. Son statut de principal gaz à effet de serre après la vapeur d eau doit être mis en évidence en considérant que, dans la fenêtre de défaut d absorption de la vapeur d eau qui existe pour des longueurs d onde comprise entre 5 et 50 µm, longueurs d onde correspondant aussi aux radiations les plus réémises depuis la surface de la Terre vers l atmosphère, c est le gaz qui permet de compenser au mieux ce déficit en absorbant les radiations comprises entre 12 et 17 µm et en réémettant vers le sol de nouveaux infrarouges. La modélisation proposée concernant l évolution de la température moyenne au sol en fonction de la concentration de dioxyde de carbone dans l atmosphère montre que les variations de concentration en CO 2 dans les bulles d air des glaces polaires ne sauraient rendre compte des variations de température déterminées à partir de l étude de ces mêmes glaces : les variations de la teneur en gaz à effet de serre de l atmosphère ne permettent pas d expliquer à elles seules les variations climatiques au cours des dernières années. Ceci peut donc permettre de poser le problème motivant l activité 4, à savoir la recherche de cause(s) déclenchante(s) aux variations climatiques récentes et la précision quant à l implication des gaz à effet de serre, à côté d autres facteurs dans cette dynamique. 3. Guide d exploitation : production élèves attendues 1. L analyse des bulles d air contenues dans les glaces des calottes glaciaires montre que la composition atmosphérique a évolué depuis ans suivant la même périodicité que le climat. Aux périodes de réchauffement coïncident des périodes d augmentation de la teneur en gaz à effet de serre (CO 2, CH 4 et NO 2 ) dans l atmosphère ; aux phases de refroidissement coïncident des baisses de la teneur de l atmosphère en ces mêmes gaz. 2. Certains gaz de l atmosphère comme le méthane (CH 4 ), le dioxyde d azote (NO 2 ),le dioxyde de carbone (CO 2 ) et la vapeur d eau peuvent absorber les radiations infrarouges réémises lors de l échauffement de la surface de la Terre par les radiations solaires incidentes, s échauffer et renvoyer à leur tour des radiations infrarouges vers cette surface : ils sont responsables d un effet de serre qui permet d expliquer la température moyenne à la surface du sol de la planète. Un schéma comparable à celui proposé page 77 (figure 2) peut être produit à partir des informations disponibles. 3. Le CO 2 apparaît comme le plus important après la vapeur d eau dans ce processus car c est celui qui absorbe au mieux, après la vapeur d eau, les radiations infrarouges les plus renvoyées par la surface du sol ; plus précisément, entre 5 et 50 µm, longueurs d onde correspondant aussi aux radiations les plus réémises depuis la surface de la Terre vers l atmosphère, c est le gaz qui permet de compenser au mieux le déficit d absorption de la vapeur d eau en absorbant les radiations comprises entre 12 et 17 µm et en réémettant vers le sol de nouveaux infrarouges. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 4 12

57 4. Au cours des dernières années, la teneur de l atmosphère en dioxyde de carbone a oscillé périodiquement entre ppm et ppm. La modélisation proposée permet d estimer des écarts de température de l ordre de 5 tout au plus, consécutifs à ces fluctuations de composition, par variation de l effet de serre. 5. Au cours des dernières années, la teneur de l atmosphère en gaz à effet de serre a oscillé périodiquement et de manière synchrone aux variations du climat global de la Terre : aux périodes de réchauffement coïncident des périodes d augmentation de la teneur en gaz à effet de serre (CO 2, CH 4 et NO 2 ) dans l atmosphère ; aux phases de refroidissement coïncident des baisses de la teneur de l atmosphère en ces mêmes gaz. En considérant le CO 2 comme le principal gaz à effet de serre après l eau, il semble que les fluctuations des teneurs de ces gaz dans l atmosphère n expliquent qu en partie seulement les écarts de température caractérisant les variations du climat. Il est donc nécessaire d envisager l intervention d autres facteurs pour expliquer ces variations. Activité 4 Origine des variations climatiques récentes (p. 72 à 73) 1. Les instructions officielles prises en compte L'ensemble des mécanismes agissant sur le climat n'est pas au programme, mais on indiquera que l'effet de serre n'est qu'un facteur parmi d'autres. En particulier, l'influence des paramètres astronomiques pourra être évoquée, mais n'est pas exigible des élèves au baccalauréat. 2. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports L ensemble des documents proposés permet de découvrir trois facteurs essentiels impliqués dans le couple climat atmosphère, et donc dans les variations climatiques précédemment décrites. Proposée sous forme d une tâche complexe, cette activité place l élève dans une situation de résolution d un problème en lui laissant un maximum de liberté quant à la mise en œuvre d un raisonnement adapté. Le document 1 présente les variations de l insolation estimées en prenant en compte les variations périodiques des paramètres orbitaux terrestres, et les variations de l englacement dans l hémisphère Nord déduites des données glaciologiques. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 4 13

58 Concernant l insolation, les élèves ont déjà vu en classe de Seconde le lien qui existe entre la distance de la Terre au Soleil et la température moyenne au sol de la planète d une part, l influence de l angle d incidence des rayons solaires sur l énergie reçue au sol d autre part ; ils sont donc à même de comprendre comment les variations des paramètres orbitaux terrestres peuvent permettre de construire des variations de l insolation moyenne reçue à la surface de la Terre en un endroit donné. Compte tenu des périodicités similaires des variations climatiques, ici reflétées par les variations d englacement au cours des dernières années, et des variations des paramètres orbitaux terrestres, ces derniers semblent les plus à même d apparaître comme des facteurs déclencheurs des variations climatiques. Ceci est de plus suggéré par le léger décalage temporel qui existe sur les documents proposés et disposés l un au-dessus de l autre le long d une même abscisse temporelle ; des variations notables de l insolation précèdent toujours une variation majeure d englacement : ainsi tout refroidissement majeur est précédé d une baisse de l insolation, tout réchauffement est précédé d une augmentation d insolation. Le document 2 permet d introduire l albédo d un corps, notion nouvelle pour l élève. Il permet donc de placer l élève dans la situation d un apport de données nouvelles, qu il doit être en mesure d exploiter pour résoudre un problème, sans pour autant développer de connaissances spécifiques à son propos. L albédo est défini, de sorte que les informations livrées au travers du document permettent à l élève de les exploiter et d intégrer ce paramètre au scénario qu il doit élaborer. Le document 3 invite à la réalisation d une activité pratique simple mettant en évidence la relation qui lie la solubilité du dioxyde de carbone dans l eau et la température de celle-ci. La mise en œuvre du protocole ne pose pas de problème particulier et se révèle donc particulièrement simple dès lors que la sonde proposée à l élève est en bon état. Les élèves sont habitués à l utilisation des modules d expérimentation assistée par ordinateur. On peut bien sûr envisager de demander aux élèves d extraire les résultats graphiques pour les transporter sur une feuille de traitement de texte et de rédiger un commentaire bref indiquant les informations qu ils tirent de ceux-ci dans la résolution du problème qui leur est ici soumis. Les élèves ont constaté au préalable (activité 3) la correspondance qui existe entre réchauffement et élévation de la teneur des gaz à effet de serre dans l atmosphère, refroidissement et diminution de ces mêmes concentrations. S il est difficile de considérer ces variations comme événements déclencheurs des fluctuations climatiques à côté des variations des paramètres orbitaux terrestres, car il faudrait alors imaginer des processus de libération et de capture de gaz qui opèrent périodiquement et qui ne sont pas connus, elles peuvent cependant apparaître comme des événements accompagnant les variations climatiques, les amplifiant même. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 4 14

59 3. Guide d exploitation : production élèves attendues Aides à la résolution de la tâche complexe : 1. (Document 1) Établissez une relation entre les caractéristiques des paramètres orbitaux terrestres, l insolation et le volume des glaces. 2. (Document 1) Précisez en quoi les variations des paramètres orbitaux terrestres ne sont pas responsables seules des variations climatiques au cours des dernières années et donc certaines caractéristiques sont précisées sur le document 1 de l activité 2 (page 69). 3. (Document 2) Montrez que les variations de l albédo de la Terre peuvent contribuer aux variations climatiques que connaît la Terre depuis ans. 4. (Document 3) Précisez comment évolue la solubilité du dioxyde de carbone en fonction de la température. Qu en déduisez-vous quant aux échanges de CO2 entre océans et atmosphère, et au rôle possible de ce gaz au cours du réchauffement climatique qui a succédé au dernier maximum glaciaire? L orbite de la Terre, l inclinaison de son axe de rotation et l orientation de cet axe varient régulièrement suivant des périodes similaires à celles identifiées pour décrire les variations globales du climat. Ces modifications orbitales peuvent entraîner des variations périodiques d insolation, elles-mêmes à l origine de variations de la température moyenne à la surface de la Terre et de fluctuations du volume des calottes glaciaires ; elles sont cependant insuffisantes pour expliquer l ampleur des variations de température déduites de l étude des glaces. Elles peuvent apparaître comme des facteurs déclencheurs dans la mesure où elles précèdent toujours de peu les variations de température globale. La solubilité du CO 2 dans l eau diminue lorsque la température augmente. Lorsqu une augmentation d insolation initie une augmentation de température des eaux océaniques superficielles, du CO 2 est libéré depuis l océan vers l atmosphère, ce qui amplifie le réchauffement du fait d un effet de serre accru. À l inverse, une baisse d insolation induit une baisse de température qui s accompagne d une dissolution accrue de CO 2 dans l océan et donc d une baisse de l effet de serre. Lors d installation de période froide, le développement de glaces polaires augmente l albédo global de la planète : le rayonnement solaire est davantage réfléchi et échauffe moins la surface terrestre qui se refroidit donc de plus en plus vite. À l opposé lors d un réchauffement, la baisse de l albédo global consécutif à la diminution de l englacement accélère la hausse des températures. Il est donc possible de proposer le scénario suivant pour une phase de refroidissement: elle peut être initiée par une modification des paramètres orbitaux terrestres qui a pour effet premier une diminution d insolation estivale et un abaissement de la température moyenne en surface du globe. La baisse de température qui en découle facilite le transfert de CO 2 depuis l atmosphère vers l'océan, et donc une diminution de l effet de serre ; cette action est donc à même d amplifier le refroidissement initié par la modification des paramètres orbitaux terrestres. Aux hautes latitudes, l augmentation de l englacement NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 4 15

60 provoque une augmentation de l albédo, ce qui amplifie aussi le refroidissement de ces régions et donc l abaissement de la température moyenne du globe. Le scénario inverse peut être proposé en cas de réchauffement avec cependant un déroulement plus rapide de celui-ci. Activité 5 Activités humaines et atmosphère (p. 74 à 75) 1. Les instructions officielles prises en compte Les bulles d'air contenues dans les glaces permettent d'étudier la composition de l'air durant les dernières années y compris des polluants d'origine humaine. La modélisation de la relation effet de serre/climat est complexe. Elle permet de proposer des hypothèses d'évolutions possibles du climat de la planète notamment en fonction des émissions de gaz à effet de serre induites par l'activité humaine. 2. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports Cette activité poursuit un double objectif : montrer comment les connaissances relatives à la relation complexe établie entre composition atmosphérique et climat permettent d élaborer des modèles climatiques en rapport avec différentes hypothèses d évolution de la teneur en CO 2 de l atmosphère au cours du XXI e siècle ; amener les élèves à réfléchir quant à l originalité du changement climatique actuel, notamment la nature de l événement déclencheur. Ainsi cette activité est nettement orientée dans le sens de la modélisation ; les seules données figurant sur cette double-page sont en effet celles relatives aux évolutions de la teneur en CO 2 de l atmosphère et de la température moyenne depuis Concernant l évolution de la température, elle est exprimée sous la forme d un écart à une température de référence ; cette expression se rapproche des expressions des «δ» sans pour autant être ramenée comme elles à un pourcentage ; ceci doit donc être aisément accessible aux élèves. Le document 1 montre que la relation établie entre climat global et la teneur de l atmosphère dans son principal gaz à effet de serre (CO 2 ) demeure valable actuellement, c'est-à-dire ici depuis 1900, cependant que l influence d un forçage anthropique du climat ressort nettement des résultats de la modélisation proposée et apparaît comme la principale cause de l évolution climatique actuelle. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 4 16

61 Bien sûr, les données disponibles concernant la concentration moyenne en CO 2 de l atmosphère permettraient de remonter bien plus loin dans le temps ; l intervalle de temps a été limité de 1900 à 2011 pour être mis plus facilement en rapport avec les résultats des modélisations concernant l évolution de la température et les forçages. Remarques : L évaluation de la teneur en CO 2 de l atmosphère repose sur deux types de mesures : - des mesures effectuées à partir des bulles d air emprisonnées dans les glaces pour les évaluations d avant 1958 ; - des mesures directement effectuées dans l atmosphère, à la station Mauna Loa d Hawaï depuis Il est important de souligner qu au-delà de la concentration atmosphérique en CO 2, ces mesures permettent également d étudier la composition en différents polluants d origine humaine comme les CFC par exemple. Pour les températures, des études comparables à celles menées en Antarctique ont été entreprises sur les glaces présentes à la surface des continents de l hémisphère nord : elles ont livré des évaluations relativement fiables pour la période allant de 1000 à On dispose ensuite de mesures fiables réalisées en Europe entre 1659 et Jusqu à cette date donc, les valeurs de température se limitent donc à des valeurs caractérisant l hémisphère nord ou l Europe seulement. Ce n est qu à partir de 1856 que les valeurs proposées dans les banques de données représentent des températures moyennes pour la Terre. Le document 2 illustre comment des scénarios relatifs à l évolution des rejets des gaz à effet de serre au cours du XXI e siècle, et donc l évolution de la composition chimique de l atmosphère permet aux climatologues de bâtir des scénarios d évolution du climat au cours de cette même période. La modélisation de l évolution climatique fait ressortir des estimations de hausse moyenne de la température globale à l horizon 2100, valeurs replacées à chaque fois dans un intervalle reflétant les incertitudes inhérentes à la modélisation et à l originalité de la démarche. En effet : les relations qui sont utilisées au cours de cette démarche ont été explicitées sur la base des variations récentes du climat au cours desquelles les variations de la composition atmosphérique apparaissent comme des paramètres amplificateurs, mais non comme des facteurs déclencheurs ; la température au cours des dernières années semble n avoir jamais dépassé + 4 C par rapport à la température actuelle de sorte que des projections au-delà de cette valeur constituent des inconnues en termes de capacité de réponse du système climat atmosphère ; enfin les vitesses auxquelles s opèrent actuellement ces modifications sont sans commune mesure avec celles qui ont présidé aux variations récentes du climat ; alors que des amplitudes de 5 à 10 C paraissaient se réaliser sur une durée de l ordre de 10 4 années, les modélisations les plus alarmistes prévoient des modifications d amplitude voisine sur des durées de l ordre de 10 2 années seulement. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 4 17

62 Remarque : Ces aspects relatifs aux vitesses des variations climatiques sont illustrés au travers d un exercice proposé en complément de celui figurant dans l ouvrage. Tous les scénarios sur lesquels les experts du GIEC ont travaillé n ont pas été figurés dans les documents de cette activité ; ils sont consultables dans les rapports publiés par ce groupe d experts (cf. bibliographie) et téléchargeables à partir des sites référencés. Le document 2 propose enfin de confronter les projections établies à partir de l an 2000 (figure 2b) aux réalités de l an 2010 (figure 2c) ; ceci permet d illustrer la nécessaire interaction qui doit se mettre en place entre les modèles («les idées») et les faits afin de les ajuster et de les affiner progressivement. Cela permet également de porter un regard citoyen sur l évolution de nos rejets, et donc sur les actions menées visant à les limiter, par rapport aux hypothèses retenues dans quelques scénarios et à leurs projections en termes de hausse de température. 2. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports 1. Depuis le début du XX e siècle, la teneur en CO 2 dans l atmosphère et les écarts de température par rapport à température moyenne sur la période ont augmenté en parallèle ; ceci est donc aussi représentatif d une augmentation similaire de la température moyenne du globe depuis Avant 1960, la modélisation de l évolution de la température ne prenant en compte que le forçage naturel demeure relativement proche de celle intégrant en plus le forçage anthropique, et de l évolution constatée de la température moyenne globale. Depuis 1960, l évolution de la température moyenne globale s est écartée de l évolution de la température modélisée à partir de la seule prise en compte du forçage naturel, tout en demeurant proche de celle modélisée sur la base de forçages naturel et anthropique. Ceci signifie qu à partir de 1960, l augmentation des rejets de gaz à effet de serre en relation avec les activités humaines est devenue un facteur prépondérant de l évolution de la température, donc du climat. 3. Le scénario qui envisage la plus forte augmentation de dioxyde de carbone, et donc d émission de gaz à effet de serre, est le scénario A2 ; il correspond à un schéma de développement privilégiant l utilisation des combustibles fossiles pour satisfaire aux besoins énergétiques d une population mondiale en augmentation. 4. Les modélisations réalisées pour prévoir les changements environnementaux consécutifs à ces modifications de l effet de serre prévoient toutes un réchauffement à l horizon Les données actualisées en 2010 concernant les niveaux d émission de dioxyde de carbone montrent que parmi les trois scénarios proposés dans le document 2, le scénario B1 est déjà dépassé en termes de projection de température à l horizon Les estimations des experts s inscrivent encore NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 4 18

63 dans les estimations des scénarios A1B et A2 ; cependant, pour demeurer proche des estimations du scénario A1B, il faudrait dès à présent appliquer strictement les engagements pris sous l égide de l ONU. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 4 19

64 Correction des exercices BAC L évolution du climat depuis ans Il s agit, à partir des documents proposés, de dégager les principaux traits de l évolution du climat au cours des dernières années. Document 1 Ce document montre : une augmentation de l insolation estivale à 60 de latitude Nord durant la période comprise entre ans et ans, suivie d une légère diminution de celle-ci entre ans et ans. Ces fluctuations peuvent avoir pour origine des variations des paramètres orbitaux terrestres. parallèlement aux variations précédentes, une augmentation progressive du δ 18 O mesuré dans les glaces du Groënland entre ans et ans traduisant une hausse de la température moyenne à l endroit du forage dont sont extraites les glaces analysées durant cette même période. Le réchauffement ainsi caractérisé apparaît donc comme significatif quelques milliers d années après les variations d insolation estimées ; pour illustrer ce point, alors que le maximum d insolation estival est atteint il y a ans, le réchauffement maximal semble atteint à ans, soit ans après. Au cours de ce réchauffement, après une hausse brutale de température située entre la fin du Dryas ancien et la période de Bolling, un refroidissement temporaire s installe entre ans et ans ; ce refroidissement apparaît indépendant des variations de l insolation qui, durant cette même période, continue d augmenter comme auparavant depuis ans. Ce bref épisode froid ne peut donc avoir pour origine des variations des paramètres orbitaux terrestres. Document 2 Il présente les fluctuations du δ 18 O mesuré dans les tests de foraminifères benthiques extraits de sédiments marins de l océan Pacifique équatorial. On y retrouve une diminution conséquente de ce rapport géochimique entre ans et ans caractéristique d une élévation de température moyenne durant cette même période. Ces données mises en évidence dans une zone équatoriale sont donc corrélées aux données issues de la glaciologie au Groënland, et traduisent donc une même variation climatique globale : toutes les deux indiquent un réchauffement global rapide entre ans et ans. Ce document 2 montre d autre part que cette variation climatique s inscrit dans le cadre de fluctuations périodiques, un tel réchauffement ayant déjà eu lieu il y a ans ; entre ces deux réchauffements, on note la présence d une phase de refroidissement à installation plus progressive. Remarque : Compte tenu du fait qu aucune connaissance spécifique n est exigible concernant les paramètres orbitaux terrestres et les périodicités suivant lesquelles ils fluctuent, il n est pas attendu de la part des élèves qu ils NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 4 20

65 interprètent le décalage de ans qui existe entre les deux réchauffements évoqués et des variations d excentricité de l orbite de la Terre par rapport au Soleil. Pour aller dans une telle direction, un document supplémentaire aurait dû être proposé. Documents 3 et 4 Le document 3 expose la répartition actuelle des principaux biomes végétaux terrestres en fonction de certains paramètres climatiques (précipitation annuelle et température moyenne annuelle). Il permet d interpréter le diagramme pollinique du document 4 sur la base du principe d actualisme. Dans le document 4, on a en effet reporté les pourcentages relatifs de présence de pollens de différentes espèces retrouvés parmi une accumulation sédimentaire étudiée par forage dans le Massif Central et dont on a extrait une carotte de sédiments ; de cette carotte, des sédiments dont l âge s échelonne entre plus de ans et moins de ans peuvent être étudiés. Jusqu à ans, on remarque l abondance des espèces herbacées et notamment de l Armoise et du Chénopode, toutes deux caractéristiques de biomes actuellement développés dans les régions continentales froides. Sapin, Aulne, Cèdre et Pins sont également répertoriés avec cependant une tendance à leur effacement progressif ; ces espèces arborescentes, le Sapin notamment, caractérisent aussi la tendance froide du climat. De ans à ans, le Bouleau et le Genévrier présentent une progression notable qui témoigne de l installation nouvelle de ces espèces arborescentes. De ans à ans, le Noisetier et le Chêne progressent en masse, soulignant une hausse rapide des températures et l installation d un climat tempéré à cet endroit. Parallèlement les espèces herbacées cèdent le pas, notamment celles des biomes caractéristiques des hautes latitudes. Dès ans cependant, le Noisetier régresse quelque peu, le Sapin et l Aulne réapparaissent : ceci tend à illustrer un léger rafraîchissement enregistré dans cette région à partir de cette époque tandis que l insolation estivale dans l hémisphère Nord a commencé de baisser depuis ans. Cette analyse permet maintenant d apporter des réponses au problème formulé et d envisager l évolution climatique suivante au cours des dernières années : 1. Depuis ans, le climat global de la Terre est caractérisé par l achèvement d une période glaciaire qui atteint son apogée entre ans et ans (documents 1 et 2) tandis que l insolation de l hémisphère nord commence déjà à augmenter de nouveau durant cette même époque. 2. Dès ans, les conséquences de cette hausse d insolation se font sentir avec donc un décalage temporel : dans l enregistrement sédimentaire du climat : par une baisse du δ 18 O des foraminifères benthiques dans l océan Pacifique équatorial ; NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 4 21

66 par une modification du spectre pollinique fossilisé parmi les sédiments continentaux dans le Massif Central français par exemple : des espèces herbacées de climat froid régressent alors au profit d espèces arborescentes. dans l enregistrement «glaciaire» du climat, par une élévation du δ 18 O des glaces fossiles du Groënland datant de cette période. 3. Ce début de réchauffement est cependant ponctué par un retour de conditions plus froides entre ans et ans comme le montrent les résultats de la glaciologie ; dans le Massif Central, ceci est marqué par la présence d arbres typiques de climat froid et de la taïga (Bouleau notamment). 4. Au-delà de ans, le réchauffement reprend et atteint rapidement son apogée vers ans caractérisé par les marqueurs géochimiques et par les forts pourcentages de pollens d espèces tempérées dans le Massif Central (Chêne, Noisetier, Tilleul, Frêne, Orme). 5. Depuis ans cependant, une nouvelle tendance au refroidissement peut être identifiée dans les données océaniques (hausse de δ 18 O) et parmi les données polliniques continentales avec le retour d essences caractéristiques d un climat tempéré plus frais et plus humide (Sapin, Hêtre). Ce refroidissement parait de plus, bien que différé, corrélé à l abaissement d insolation et donc à l évolution des paramètres orbitaux terrestres qui semblent en être de ce fait à l origine. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 4 22

67 Chapitre 5 Atmosphère et climats aux grandes échelles Objectifs généraux Dans ce chapitre, les variations climatiques sont envisagées à une grande échelle de temps (millions et milliards d années), ces variations pouvant être locales ou globales. Les variations récentes du climat et de l atmosphère (vues dans le chapitre 4) sont replacées dans un contexte plus global où les conditions climatiques ont parfois été très différentes des conditions actuelles. Le programme précise que "l histoire de la variation du climat en elle-même est hors programme". Il ne s agit donc pas de faire une étude exhaustive des différentes variations climatiques ayant affecté le globe terrestre. Cependant, à partir de quelques exemples, on souhaite montrer comment on peut reconstituer des conditions climatiques passées en s appuyant sur des roches, en particulier des roches sédimentaires. Ces roches étant d origine exogène, c est-à-dire formées à la surface de la Terre, elles représentent de véritables archives de la vie et des conditions climatiques régnant au moment de leur formation. En classe de seconde, la dynamique des enveloppes fluides de la Terre sous l impulsion de l énergie solaire a été abordée et un cycle du carbone simplifié a été présenté. Il s agit maintenant de comprendre en quoi les climats sont les conséquences des interactions entre les enveloppes fluides de la Terre et en quoi la biosphère et la géosphère participent à ces interactions. Progression retenue dans le chapitre Les trois premières activités permettent de comparer l atmosphère actuelle avec l atmosphère primitive et de rechercher quelques causes des variations de concentration en O 2 et CO 2 de l atmosphère. Puis, à partir de quelques exemples présentés dans les activités 4 et 5, on cherche en quoi les roches sédimentaires et les fossiles qu elles renferment peuvent être de bons indicateurs des conditions climatiques passées. Enfin, le chapitre se termine sur un exemple d interaction entre les variations climatiques et la géodynamique. Dans l activité 1, les élèves sont amenés à constater que l atmosphère actuelle est très différente de l atmosphère primitive reconstituée à partir des gaz chondritiques et des gaz volcaniques. L activité 2 aborde l évolution de la teneur en O 2 de l atmosphère. Les BIF et les grès rouges permettent de montrer que l atmosphère est devenue oxydante à partir de 2,5 Ga suite à l accumulation d O 2 produit par la photosynthèse. Alors que l atmosphère primitive était très riche en CO 2, elle n en contient que très peu actuellement. Les causes de cet appauvrissement de l atmosphère en CO 2 au cours du temps sont recherchées dans l activité 3 où quelques exemples d interactions entre atmosphère, hydrosphère et biosphère sont proposés. Les activités 4 et 5 reposent sur l application du principe d actualisme afin de reconstituer des climats du passé à partir de fossiles ou de roches sédimentaires. Enfin, l activité 6 clôt ce chapitre en recherchant quelques causes des variations climatiques aux grandes échelles de temps. Les documents montrent comment la géodynamique peut influencer le taux de CO 2 atmosphérique, donc l effet de serre et les conditions climatiques. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 5 1

68 Proposition de programmation hebdomadaire L étude de ce chapitre peut s échelonner sur une durée de quatre semaines. Au cours de la première semaine, on reconstitue l atmosphère primitive et on la compare à l atmosphère actuelle (activité 1). Les indices du passage d une atmosphère réductrice à une atmosphère oxydante sont recherchés dans les roches sédimentaires ainsi que la cause de cette évolution (activité 2). L évolution de la teneur en CO 2 de l atmosphère (activité 3) peut être abordée au cours de la deuxième semaine avec une séance de TP sur la dissolution et la précipitation des carbonates. Il semble intéressant de mobiliser les connaissances antérieures sur le cycle du carbone ainsi que les échanges gazeux liés à la respiration et à la photosynthèse afin de comprendre comment le carbone atmosphérique s est peu à peu répandu dans différents réservoirs. L observation de l organisation en lamines des stromatolites (sur un échantillon ou à l occasion d une sortie sur le terrain) met en évidence la précipitation cyclique des carbonates en fonction de l activité photosynthétique lorsque les conditions sont favorables. Une troisième semaine peut être consacrée à la reconstitution des climats du passé à partir de fossiles (activité 4) ou de roches sédimentaires (activité 5). Ces activités peuvent être abordées sous la forme d un travail en groupes suivi d une mise en commun. Cela permet d aborder des exemples différents tout en adoptant une démarche commune. Enfin, la quatrième semaine est consacrée à la recherche de quelques causes des variations climatiques (activité 6). Elle est organisée sous la forme d une «tâche complexe» afin de laisser aux élèves l initiative de leur démarche. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 5 2

69 Activité 1 Atmosphère actuelle, atmosphère primitive (p ) 1. Les instructions officielles prises en compte Les enveloppes fluides de la Terre (atmosphère et hydrosphère) sont le siège d une dynamique liée notamment à l énergie reçue du Soleil. L atmosphère initiale de la Terre était différente de l atmosphère actuelle 2. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports L objectif de cette première activité est de constater que la composition de l atmosphère primitive était très différente de la composition de l atmosphère actuelle. Dans un premier document, quelques caractéristiques de l atmosphère sont rappelées. En seconde, les élèves ont vu que l atmosphère terrestre est "compatible avec la vie" grâce notamment à sa richesse en dioxygène. La température moyenne à la surface du globe permet l existence d eau sous ses trois états et cette eau circule entre différents réservoirs (cycle de l eau vu en collège). Le schéma de la circulation atmosphérique rappelle que le soleil fournit l énergie nécessaire à la dynamique des enveloppes fluides. Les deux autres documents expliquent comment certaines roches (magmatiques ou météoritiques) permettent de reconstituer la composition de l atmosphère primitive. Dans le chapitre précédent, les élèves ont vu que l analyse des bulles d air emprisonnées dans la glace permet de connaître directement la composition de l atmosphère pour des périodes récentes (quelques centaines de milliers d années). Pour des périodes très anciennes, il n existe pas de bulles d air, témoins de l atmosphère primitive. La composition de celle-ci peut être néanmoins reconstituée à partir des plus vieilles roches du système solaire : les météorites. Le schéma du document 2 illustrant la formation de la Terre doit permettre aux élèves de comprendre pourquoi les chondrites (météorites non différenciées) permettent de connaître la composition chimique de l atmosphère primitive. De même, les inclusions fluides emprisonnées dans des basaltes de points chauds sont issues du dégazage du manteau. Elles ont une composition chimique semblable à celle de l atmosphère primitive. 3. Pistes d exploitation : productions élèves attendues 1. Du fait de la sphéricité de la Terre, l énergie solaire est inégalement répartie à la surface du globe. Les régions équatoriales recevant plus d énergie par unité de surface que les régions polaires, l air s échauffe et s élève par diminution de sa densité. Ces mouvements ascendants créent des déplacements horizontaux d air (le vent) vers les hautes latitudes. L air chaud équatorial emporte avec lui de l humidité provenant de l évaporation de l eau des océans. Cette eau retombera sous forme de précipitations sous d autres latitudes. Le Soleil est donc le moteur de la dynamique de l atmosphère, du cycle de l eau et d une zonation climatique latitudinale. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 5 3

70 2. Les chondrites n ayant pas subi de différenciation, elles renferment tous les éléments constituant la "protoplanète Terre" et dans des proportions similaires. Leur composition chimique est le reflet de la composition chimique moyenne de la Terre. Le dégazage des chondrites en laboratoire permet d en extraire des éléments volatils dans des proportions comparables à celles composant l atmosphère primitive. 3. L analyse des gaz mantelliques (inclusions fluides dans des minéraux tels que les olivines des basaltes des points chauds) donne aussi une image de l atmosphère primitive. Les gaz volcaniques sont très souvent "contaminés" par des éléments volatils provenant de la surface du globe (eau de pluie ou eau de mer infiltrée en profondeur puis mélangée aux magmas, éléments provenant de la plaque subduite et qui se retrouvent dans les gaz volcaniques des marges actives ). C est pourquoi on choisit des basaltes de points chauds afin d étudier des gaz exclusivement mantelliques. 4. L analyse des gaz chondritiques ou volcaniques fournit une image de l atmosphère primitive. Les résultats de ces deux analyses sont comparables : l atmosphère primitive était essentiellement constituée d eau (à l état de vapeur, la température étant trop élevée pour qu elle se condense) et de CO 2, et ne contenait pas d O 2. L'atmosphère actuelle est caractérisée par sa richesse en O 2 et en N 2, alors que l eau et le CO 2 sont devenus largement minoritaires. On peut formuler plusieurs hypothèses expliquant les faits constatés : - Hypothèse 1 : Des constituants de l atmosphère primitive se sont échappés vers l espace. Cependant, les élèves ont vu en seconde que la masse de la Terre et sa distance par rapport au Soleil lui ont permis de conserver son atmosphère. De plus, cette hypothèse n explique pas l origine de l O 2 ni de l N 2. - Hypothèse 2 : Des constituants de l atmosphère primitive (eau et CO 2 en particulier) se sont échappés vers d autres réservoirs terrestres (hydrosphère, biosphère, géosphère). Ces réservoirs peuvent aussi être à l origine d un enrichissement de l atmosphère en O 2 et en N 2. La suite du chapitre va permettre de valider la deuxième hypothèse. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 5 4

71 Activité 2 Origine et évolution du dioxygène dans l atmosphère (p ) 1. Les instructions officielles prises en compte L atmosphère initiale de la Terre était différente de l atmosphère actuelle. Sa transformation est la conséquence, notamment, du développement de la vie. L histoire de cette transformation se trouve inscrite dans les roches, en particulier celles qui sont sédimentaires. Limites : Il s agit de traiter le passage de l atmosphère primitive à l atmosphère oxydante en s appuyant sur un nombre limité d arguments pétrographiques. 2. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports L activité 1 a permis de constater que l atmosphère primitive était très différente de l atmosphère actuelle et plusieurs hypothèses expliquant cette différence de composition ont été formulées. Il s agit maintenant de rechercher la ou les causes de ces transformations. Dans cette activité, priorité est donnée au dioxygène, et donc au passage d une atmosphère réductrice à une atmosphère oxydante. Le choix est fait de ne pas parler de l ozone (O 3 ) celuici étant un gaz très minoritaire dans l atmosphère. Cependant, on pourra faire remarquer aux élèves que cette molécule, dont 90 % se trouve dans la stratosphère, joue un rôle essentiel dans la protection de la vie sur Terre en absorbant une grande partie des UV b et des UV c. Pour aborder cette activité, les élèves doivent savoir que le métabolisme photosynthétique s accompagne d échanges gazeux, en particulier d un rejet d O 2. Le premier document propose de retrouver les plus anciennes traces d organismes photosynthétiques apparus sur Terre. La comparaison de stromatolites actuels et de stromatolites fossiles montre que les premières cellules capables de réaliser une photosynthèse, donc de produire du O 2, étaient vraisemblablement des cyanobactéries. Le document 2 est centré sur l étude des gisements de fer rubané formés entre 3,5 Ga et 1,9 Ga. La formation de ces roches n a pu se faire qu en présence d une source d O 2. Pourtant, le document 3 permet de dater l apparition d O 2 atmosphérique à partir de 2,5 Ga. Ce décalage dans le temps entre l apparition de la photosynthèse (âge des plus vieux stromatolites) et le passage à une atmosphère oxydante trouve son explication dans la mise en relation des différents documents. Pendant près de 1,5 Ga, l O2 produit par photosynthèse fait précipiter le fer dans les océans ; il ne peut donc s accumuler dans l atmosphère. 3. Pistes d exploitation : productions élèves attendues 1. La comparaison des plus vieux stromatolites fossiles (3,5 Ga) avec les stromatolites actuels montre de nombreuses similitudes : formes mamelonnées de dimensions comparables (en chou-fleur) et présence de lamines millimétriques. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 5 5

72 Au microscope, on reconnaît dans les structures fossilisées des petites "loges rectangulaires" associées les unes au bout des autres, mesurant chacune quelques micromètres. Ces fossiles ressemblent beaucoup aux cyanobactéries actuelles vivant en colonies (Nostoc par exemple). On peut donc penser qu il y a 3,5 Ga existaient déjà des cyanobactéries à l origine des stromatolites semblables à ceux que l on observe actuellement. Ils devaient se développer dans des environnements identiques, notamment dans des eaux peu profondes afin que la photosynthèse soit possible. Ces organismes ont peu changé depuis 3,5 Ga et sont donc de mauvais fossiles stratigraphiques. Cependant, ils sont de précieux indicateurs de la date d apparition de la photosynthèse, mécanisme libérant de l O Les BIF ("Banded Iron Formation" ou gisement de fer rubané) sont des roches sédimentaires marines constituées par une alternance de lits siliceux et de lits constitués d hématite. Ce dernier est un oxyde ferrique (Fe 2 O 3 ) où le fer est sous sa forme oxydée (Fe 3+ ). Ces gisements ne forment pas des niveaux continus mais sont très localisés, en particulier à proximité des continents archéens. Alors que le fer (Fe 2 + ) est soluble dans l eau, sa forme oxydée (Fe 3+ ) est insoluble et précipite sous forme d hématite. La réaction peut s écrire : 4 FeO (Fe 2+, soluble) + O 2 2 Fe 2 O 3 (Fe 3+, insoluble) Cette réaction consomme de l O 2 qui se trouve piégé sous forme d hématite au sein des BIF ; c est pourquoi on peut considérer les BIF comme des "puits chimiques" à O La production d O 2 par photosynthèse a dû débuter il y a 3,5 Ga, âge des plus vieux stromatolites connus. Or, le graphique du document 3 montre que l atmosphère a commencé à s enrichir en O 2 il y a 2,5 Ga. Pourquoi l O 2 ne s est-il pas accumulé dans l atmosphère entre 3,5 et 2,5 Ga? NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 5 6

73 Avant 2,5 Ga, de l O 2 est produit localement par l activité photosynthétique des cyanobactéries constituant les stromatolites. Autour de ces «oasis cyanobactériens», le milieu pouvait être localement oxydant, mais l O 2 produit par photosynthèse était immédiatement piégé sous forme d hématite à partir du fer dissous dans les océans. L O 2 ne pouvait donc pas diffuser dans les océans ni dans l atmosphère, tant qu il y avait du fer à l état réduit. 4. À partir de 2,5 Ga, tout le fer dissous dans les océans a été oxydé. L O 2 produit par les cyanobactéries peut alors commencer à se répandre dans les océans et diffuse vers l atmosphère qui devient oxydante. Remarque : Des questions restent en débat actuellement : L approvisionnement des océans en Fer (Fe 2 + ) est relativement faible. Pourtant, la plupart des BIF se sont formés entre 2,5 et 2 Ga, ce qui signifie que le fer des océans a précipité rapidement. Ceci semble peu compatible avec une production lente d O 2 par les cyanobactéries On peut aussi s interroger sur le devenir de la matière organique produite par les cyanobactéries. Il est peu probable qu elle ait été oxydée (comme elle le serait actuellement) du fait de la faible teneur en O 2 des océans Activité 3 Évolution du dioxyde de carbone dans l atmosphère (p ) 1. Les instructions officielles prises en compte Elles (atmosphère et hydrosphère) sont en interaction permanente avec la biosphère et la géosphère. L atmosphère initiale de la Terre était différente de l atmosphère actuelle. Sa transformation est la conséquence, notamment, du développement de la vie. L histoire de cette transformation se trouve inscrite dans les roches, en particulier celles qui sont sédimentaires. 2. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports Cette activité, organisée autour de deux documents, vise à expliquer la cause de la diminution de la teneur en CO 2 de notre atmosphère depuis 4,5 Ga, en particulier sous l action des êtres vivants. Chaque document met en évidence des échanges entre le CO 2 atmosphérique et un réservoir de carbone autre que l atmosphère. Il est nécessaire de mobiliser les connaissances acquises sur la fossilisation de l énergie solaire sous forme de roches carbonées, le cycle simplifié du carbone (classe de seconde), ainsi que les bilans carbonés de la respiration et de la photosynthèse (thème 1 de l enseignement de spécialité). NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 5 7

74 Le premier document propose une approche expérimentale de la chimie des carbonates, en particulier des réactions de dissolution et de précipitation. Pour des questions pratiques, ces expériences ne font pas intervenir les êtres vivants ; mais il ne faut pas oublier que dans la nature, les équilibres qui régissent ces réactions sont largement influencés par les organismes vivants. Le document 2 met en évidence l évolution inverse de la teneur en O 2 et en CO 2 lorsque de la matière organique n est pas décomposée. Les élèves doivent comprendre que dans un écosystème à l équilibre, la biomasse n augmente pas. Une partie de cette biomasse est dégradée au cours de la vie de l organisme, l autre partie est minéralisée à la mort de l organisme. Cependant, dans certaines conditions géologiques particulières, de la matière organique peut échapper à la décomposition. L exemple proposé dans ce document est celui de la forêt carbonifère. L absence d organismes décomposeurs de la lignine et la présence de bassins fortement subsidents dans lesquels la matière organique a pu s accumuler dans des conditions anaérobies ont entraîné un piégeage du carbone sous forme de roches carbonées. Contrairement à la forêt primaire de Porto Rico, la forêt carbonifère n était pas un écosystème à l équilibre. 3. Pistes d exploitation : productions élèves attendues 1. L altération des roches silicatées, abondantes à la surface du globe, consomme du CO 2 selon la réaction : CaSiO 3 + H 2 O + 2 CO 2 SiO 2 + Ca HCO 3 Les ions hydrogénocarbonates libérés par cette réaction d altération sont transportés vers les océans où ils précipitent sous forme de calcaire : Ca HCO - 3 H 2 O + CO 2 + CaCO 3 Le bilan carboné de ces deux réactions est une consommation de carbone. Le CO 2 de l atmosphère se trouve piégé sous forme de calcaire dans la géosphère. 2. La coupe d une stromatolite (actuelle ou fossile) montre une alternance de lamines claires (calcaires) et sombres (riches en matière organique). Les lamines calcaires sont dues à la précipitation de carbonate de calcium lors de l activité photosynthétique des cyanobactéries. La consommation de CO 2 lors de la photosynthèse déplace l équilibre de la réaction ci-dessous vers la droite et donc entraîne la précipitation de calcaire. Ca HCO - 3 H 2 O + CO 2 + CaCO 3 Les lamines sombres sont riches en matière organique provenant des cyanobactéries. Des particules sédimentaires peuvent aussi être engluées parmi les filaments bactériens. L alternance des lamines est liée à une alternance de périodes favorables ou défavorables à la photosynthèse. 3. L atmosphère primitive était très riche en CO 2 et jusque vers 600 Ma, il semble que les cyanobactéries étaient les seuls êtres vivants sur Terre. Non seulement ils réduisaient le CO 2 atmosphérique sous forme de molécules organiques au cours de la photosynthèse, mais celle-ci s accompagnait aussi d une précipitation de calcaire avec piégeage de carbone dans les stromatolites. Les réactions d oxydation étant impossible en l absence d oxygène et NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 5 8

75 d organismes décomposeurs, le carbone allait irréversiblement de l atmosphère vers les sédiments. Il n existait pas encore de cycle du carbone. La forte décroissance de la quantité de CO 2 atmosphérique jusqu à 600 Ma est donc liée à son piégeage sous forme de carbonates sous l action des êtres vivants. 4. Le graphique montre qu au Carbonifère, la teneur en CO 2 diminue fortement alors que la teneur en O 2 augmente. À la fin du Carbonifère, ces tendances s inversent. Au Carbonifère, on assiste à un fort développement des végétaux vasculaires ligneux. La lignine est une molécule qui est dégradée actuellement par les basidiomycètes. Or, les plus vieux fossiles connus datent du Trias. Sans ces organismes "décomposeurs de lignine", la matière organique est difficilement dégradée. De plus, cette période correspond à un contexte tectonique au cours duquel de nombreux bassins subsidents fonctionnent comme de véritables pièges à sédiments riches en matière organique, à l origine de nombreux gisements de charbon. Le CO 2 atmosphérique est donc piégé sous forme de roches carbonées. Contrairement à ce qui se passe dans une "forêt à l équilibre" où le bilan carboné est nul (autant de CO 2 consommé par photosynthèse que de CO 2 rejeté par respiration ou fermentation), la forêt Carbonifère est un "puits de CO 2 ". 5. L'essentiel du CO 2 atmosphérique constituant l atmosphère primitive se trouve actuellement stocké sous forme de carbonates ( GT de carbone) et de roches carbonées ( GT de carbone). Ces roches de la lithosphère constituent donc des réservoirs de carbone. Activité 4 Fossiles et climats du passé (p ) 1. Les instructions officielles prises en compte Sur les grandes durées (par exemple pendant le dernier milliard d années), les traces de variations climatiques importantes sont enregistrées dans les roches sédimentaires. Des conditions climatiques très éloignées de celles de l époque actuelle ont existé 2. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports L objectif de cette activité est d utiliser les fossiles pour reconstituer des conditions climatiques. En effet, les paléontologues distinguent généralement les fossiles stratigraphiques et les fossiles de faciès. Alors que les premiers sont utilisés en priorité pour la datation des terrains, les seconds sont caractéristiques d un environnement particulier. Dans certains cas, ces environnements sont liés à des conditions climatiques particulières. C est le cas de la forêt carbonifère (document 1) et du faciès récifal Urgonien (document 2) qui n ont pu se développer qu en zone intertropicale sous un climat chaud. Dans ces deux exemples, la démarche permettant de retrouver les conditions climatiques passées est la même. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 5 9

76 Elle repose sur l application du principe d actualisme qui postule que les observations faites dans les milieux actuels, transposées aux phénomènes du passé, permettent de reconstituer certains éléments des paysages anciens tels que les conditions climatiques par exemple. Cette démarche a déjà été utilisée par les élèves en classe de 5 e. Le travail en groupe et de façon autonome semble bien adapté à cette activité. À partir de fossiles, des documents proposés dans l activité et de l énoncé du principe d actualisme, chaque groupe construit sa démarche afin de répondre à la question posée. La mise en commun permet de formaliser la démarche et d enrichir la classe de plusieurs exemples sans toutefois y consacrer trop de temps. 3. Pistes d exploitation : productions élèves attendues 1. Le fossile de Lepidodendron est une empreinte de tronc montrant des cicatrices, appelées coussinets foliaires, laissées par les feuilles (frondes) après leur chute. Les Lepidodendron du Carbonifère ressemblent à certaines fougères arborescentes actuelles que l on trouve dans les régions chaudes et humides (Nouvelle Calédonie, Réunion ). On y voit les mêmes cicatrices foliaires sur les troncs fossiles. Le principe d actualisme appliqué aux êtres vivants suppose que les espèces fossiles vivaient dans des conditions écologiques semblables à celles dans lesquelles vivent des espèces actuelles qui leur sont proches. Ainsi, l application de ce principe permet d affirmer que le climat régnant en France au Carbonifère était de type chaud et humide, comme celui des zones tropicales actuelles. 2. Les polypiers du Crétacé inférieur (115 Ma) montrent des formes cylindriques avec des ramifications comparables aux coraux branchus actuels. D autres polypiers fossiles et actuels montrent des convergences de forme et de taille. L application du principe d actualisme permet d affirmer qu ils vivaient dans des milieux comparables. La reconstitution paléogéographique au Crétacé inférieur montre que le Sud- Ouest de Grenoble (plateforme urgonienne) correspondait à un environnement du type lagon en bordure de terres émergées au Nord. Ce lagon, peu profond, était fermé au Sud par une barrière récifale. Encore plus au Sud, les vases à éponges et à Ammonites témoignent d un milieu océanique de plus en plus profond. Le Sud-Est de la France devait ressembler aux environnements récifaux actuels. Or, les coraux actuels sont des organismes bâtisseurs qui vivent en colonie dans des eaux tropicales peu profondes (pour permettre la photosynthèse des algues Zooxantelles qui vivent dans leurs tissus) et chaudes. De telles conditions sont réunies actuellement dans les zones tropicales. Au Crétacé inférieur, le Sud-Est de la France était donc soumis à un climat tropical. 3. Les fossiles, en plus de leur intérêt en stratigraphie, permettent de reconstituer des paléoenvironnements. Certains fossiles sont des restes d organismes proches d organismes actuels, comme les coraux ou les fougères arborescentes, et vivant sous des conditions climatiques bien particulières. De tels fossiles sont de bons indicateurs des conditions climatiques passées. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 5 10

77 Activité 5 Roches sédimentaires et climats du passé (p ) 1. Les instructions officielles prises en compte Sur les grandes durées (par exemple pendant le dernier milliard d années), les traces de variations climatiques importantes sont enregistrées dans les roches sédimentaires. Des conditions climatiques très éloignées de celles de l époque actuelle ont existé 2. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports L objectif de cette activité est aussi de reconstituer les climats du passé mais en utilisant les informations fournies par les roches sédimentaires. C est aussi par application du principe d actualisme et par comparaison avec les milieux sédimentaires actuels que l on reconstitue certaines caractéristiques des milieux sédimentaires anciens. Cette activité est construite sur le même principe que l activité précédente. Les deux exemples proposés, témoignant de conditions climatiques opposées, peuvent être abordés par le biais d un travail en groupes, comme pour l activité 4. Pour gagner du temps, ces deux activités, totalisant quatre exemples, peuvent être abordées lors de la même séance en constituant quatre groupes, la démarche utilisée étant la même. Ainsi, les conclusions tirées sur la démarche seront beaucoup plus générales que ce que n aurait permis l étude collective d un seul et même exemple. 3. Pistes d exploitation : productions élèves attendues 1. La Provence se trouve actuellement sous un climat méditerranéen et la Namibie se trouve sous un climat aride. 2. Les formations latéritiques actuelles sont localisées dans la zone intertropicale. La comparaison de la carte de répartition des sols latéritiques actuels avec la carte des zones climatiques du monde montre que les latérites se forment sous un climat tropical humide. La bauxite résulte d un long processus l altération de roches silicatées et carbonatées sous l action de l eau en climat tropical. L hydrolyse des minéraux libère de la silice et des ions (Na +, Ca 2 +, K +, Mg 2 + ) qui subissent un lessivage alors que les éléments moins solubles (fer, aluminium) s accumulent sur place. Ces derniers constituent des hydroxydes de fer ou d aluminium, comme la bauxite, formant souvent une cuirasse sur les sols latéritiques. Les bauxites provençales reposent sur une surface d érosion de type karstique entamant aussi bien le Crétacé inférieur que le Jurassique moyen. L ensemble de ces données montre que le climat régnant en France à la fin de l ère Secondaire était de type tropical humide, donc très différent du climat actuel (méditerranéen). 3. Dans les régions montagneuses ou polaires, les glaciers érodent les reliefs d une façon spécifique. Les vallées glaciaires ont un profil transversal en "U", les roches sont polies et striées sous l action de la glace et des matériaux qu elle transporte. Ces matériaux s accumulent NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 5 11

78 au front du glacier et sur les côtés pour constituer des moraines, c est-à-dire des amas de roches de toutes tailles, souvent anguleuses, et ne présentant aucun tri ou granoclassement. Les documents 2b et 2c montrent deux niveaux sédimentaires datant du Protérozoïque en Namibie. Le document 2b montre des "ice rafted debris" : ce sont des blocs rocheux libérés par la fonte d icebergs en mer et qui témoignent de la proximité de glaciers. Sur la photo, on voit que les couches de sédiments fins ont été déformées par la chute d un bloc anguleux. Sur le document 2c, on observe une couche d aspect hétérogène incluant des blocs de tailles variées. L ensemble présente les caractères d une ancienne moraine ayant été consolidée (tillite). Elle est surmontée par un niveau carbonaté dû à une sédimentation dans des eaux chaudes. Ces deux observations prouvent que le climat en Namibie, bien qu actuellement aride, a été de type glaciaire puis chaud au Protérozoïque. 4. Si l on suppose que les conditions de formation des roches sédimentaires dans le passé sont les mêmes qu aujourd hui (principe d actualisme), alors ces roches nous permettent de retrouver les conditions de leur formation. Cette méthode permet au géologue, à partir de certaines roches sédimentaires, de reconstituer les conditions climatiques passées. Activité 6 Origine des variations climatiques (p ) 1. Les instructions officielles prises en compte Sur les grandes durées (par exemple pendant le dernier milliard d années), les traces de variations climatiques importantes sont enregistrées dans les roches sédimentaires. Des conditions climatiques très éloignées de celles de l époque actuelle ont existé. Limites : On étudie seulement un exemple permettant de reconstituer les conditions climatiques et leur explication en termes de géodynamique. L histoire de la variation du climat en elle-même est hors programme ainsi que l étude exhaustive des relations entre géodynamique et climat. 2. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports Cette dernière activité a pour but de rechercher quelques explications en terme de géodynamique aux variations climatiques passées. Elle est organisée sous la forme d une tâche complexe obligeant l élève à construire sa démarche en mettant en relation les informations extraites des différents documents proposés. Le premier document permet de souligner le rôle joué par le CO 2 atmosphérique sur les variations de température à l échelle mondiale depuis 600 Ma. Dans l exemple proposé, la teneur en CO 2 est évaluée à partir du calcul d un indice stomatique sur des feuilles de Gingko. Cette même démarche est reprise sous la forme d une Evaluation des Capacités Expérimentales à la fin du chapitre. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 5 12

79 Dans le document 2, il s agit de constater puis d expliquer la relation entre le volcanisme et la sédimentation carbonatée, le couplage entre ces deux manifestations étant le CO 2 et le climat. Le document 3 permet de montrer que les changements climatiques, en un lieu donné, peuvent s expliquer par le déplacement des plaques. 3. Tâche complexe : production élèves attendue La méthode présentée dans le document 1 permet de déterminer la concentration atmosphérique en CO 2 à partir de feuilles de végétaux chlorophylliens. Elle repose sur le constat suivant, établi à partir de végétaux cultivés sous atmosphère contrôlée : plus l air est riche en CO 2, plus l indice stomatique est faible. À partir de l indice stomatique d une feuille fossile, il est donc possible d évaluer la teneur en CO 2 atmosphérique à une époque donnée. Cependant, le graphique du document 1a montre que plus la teneur en CO 2 est élevée, plus la zone d incertitude est élevée ce qui rend les mesures approximatives lorsque l indice stomatique est faible. On peut déterminer la teneur en CO 2 à partir des indices stomatiques des deux espèces de Gingko données dans le tableau suivant. Espèces Âge Indice stomatique Teneur en CO 2 déterminée graphiquement Ginkgo biloba actuel 9,3 350 ppmv Ginkgo obrutschewii 200 Ma 6,7 800 ppmv Aux incertitudes de mesures près, on constate que la teneur en CO 2 était beaucoup plus élevée il y a 200 Ma qu actuellement. L effet de serre devait être très important et la température moyenne plus élevée qu aujourd hui. Les sédimentologues ont pu établir un modèle de l évolution de la teneur en CO 2 atmosphérique depuis 600 Ma (doc 1c). Le rapport RCO 2 montre que, depuis 600 Ma, la quantité de CO 2 atmosphérique a globalement diminué puisqu au début du phanérozoïque, elle était 20 fois supérieure à la quantité actuelle. Cette décroissance globale s est faite de façon irrégulière avec des oscillations plus ou moins marquées. Par exemple, au Carbonifère (300 Ma), la concentration en CO 2 atmosphérique était aussi faible qu actuellement. De plus, la température de l atmosphère a aussi connu des variations significatives au cours des derniers 600 Ma. Elle semble évoluer conjointement avec la teneur en CO 2 atmosphérique et le Carbonifère correspond à une période froide. Ce graphique illustre le rôle majeur joué par le CO 2 comme gaz à effet de serre. La teneur en CO 2 déterminée graphiquement à partir de l indice stomatique du Ginkgo obrutschewii (200 Ma) donne une valeur de 800 ppmv, soit un peu plus de deux fois la concentration actuelle (RCO 2 = 800/390 = 2,4). Ce résultat est cohérent avec le modèle présenté dans le doc 1c puisque cette valeur s inscrit dans la zone d incertitude. Le document 2 met en parallèle l activité volcanique (exprimée en volume de laves émises) et le volume de la sédimentation carbonatée au cours des derniers 500 Ma. Les deux courbes sont très similaires (pics au Dévonien, Permien, Trias, Crétacé) ce qui laisse supposer l existence d un couplage entre ces deux manifestations. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 5 13

80 L activité volcanique entraîne la formation de basaltes et une libération importante de CO 2 (océans et atmosphère). Sur les continents, l eau de pluie chargée en CO 2 augmente l altération des roches silicatées et carbonatées, d autant plus rapidement que la température est élevée, avec libération d ions Ca 2 + et HCO - 3 (voir activité 3) qui seront lessivés. Dans les océans, le métamorphisme hydrothermal des basaltes entraîne aussi une libération de Ca 2 + (albitisation des plagioclases). Cet afflux d ions Ca 2 + vers les océans favorise le développement d organismes à test calcaire et la sédimentation carbonatée. Le CO 2, qui détermine largement la température moyenne à la surface du globe, est un facteur de couplage entre le volcanisme et la sédimentation carbonatée. Remarque : La Terre a connu des périodes de forte activité au niveau des dorsales (augmentation de la vitesse d expansion océanique, par exemple au Crétacé supérieur), entraînant non seulement une production accrue de basalte mais aussi une augmentation du volume des dorsales. Cette dilatation des dorsales a pour conséquence une transgression marine généralisée, avec augmentation de la surface des plateaux continentaux. Or, c est dans ces zones peu profondes et en bordure des continents que les niches écologiques sont les plus nombreuses et que s effectue l essentiel de la sédimentation carbonatée. L activité des dorsales a donc aussi des répercussions sur la sédimentation carbonatée. Au Carbonifère (document 3), tous les continents étaient réunis. Les roches sédimentaires, en fournissant des informations sur les conditions climatiques, montrent que l Inde et l Afrique étaient recouverts de calottes glaciaires alors qu un climat chaud et humide régnait en Europe et en Amérique. La présence de calottes glaciaires aux pôles montre que le climat du Carbonifère, à l échelle du globe, était semblable au climat actuel, c est-à-dire globalement froid. Cependant, le document montre aussi que le climat en Europe était de type tropical humide (période de formation du charbon, voir activité 3), ce qui n est pas le cas actuellement. Ainsi, le climat de la planète au Carbonifère était semblable au climat actuel, alors que les conditions climatiques locales en Europe étaient très différentes des conditions actuelles. C est le déplacement des continents européen et américain vers le Nord qui explique les variations climatiques constatées en ces lieux. Remarque : La répartition géographique des continents à la surface du globe peut aussi avoir un impact sur le climat en modifiant la circulation océanique, les courants atmosphériques (la surrection de l Himalaya a renforcé le phénomène des moussons), la diversité des niches écologiques (l éclatement de la Pangée, en morcelant les continents, augmente la surface des plateaux continentaux, donc la sédimentation carbonatée) L ensemble de ces documents montre que les roches sédimentaires portent les traces des variations climatiques passées qui peuvent être locales ou mondiales. L origine de ces variations est liée aux fluctuations du taux de CO 2 atmosphérique, responsable d un effet de serre plus ou moins marqué. Ce taux de CO 2 est lui-même influencé par des mécanismes variés tels que le volcanisme, l altération des carbonates, le piégeage de la matière organique La NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 5 14

81 dynamique de la lithosphère a donc eu des conséquences sur les variations climatiques passées. Aide à la résolution de la tâche complexe (Document 1a et 1b) Déterminez les teneurs en CO 2 atmosphérique actuelle et passée (200 Ma) à partir des indices stomatiques des feuilles de Gingko. (Document 1c) Etablissez une relation entre la teneur en CO 2 atmosphérique et la température moyenne du globe. (Document 2) Montrez que le CO 2 libéré par l activité volcanique favorise l altération des roches d une part, puis que cet afflux d ions Ca 2 + vers les océans entraîne à son tour une augmentation de la sédimentation carbonatée. (Document 2) Expliquez le lien entre la vitesse d expansion des océans et l importance de la sédimentation carbonatée. (Document 3) Retrouvez les caractéristiques du climat mondial au Carbonifère et montrez comment le déplacement des continents explique les variations climatiques constatées en Europe. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 5 15

82 Correction des exercices L évolution du caractère oxydo-réducteur de l atmosphère À partir de l analyse des documents et de leur mise en relation, retrouvez le changement majeur ayant affecté l atmosphère entre 3,5 et 2 Ga. L atmosphère terrestre a connu de profondes modifications au cours de son histoire. Ces transformations sont inscrites dans les roches sédimentaires qui se sont formées à la surface du globe. Le document 1 montre que le conglomérat du Witwatersrand renferme de la pyrite et de l uraninite. Le document 3 indique que ces minéraux sont instables en présence d O 2 donc la présence de pyrite et d uraninite indique l absence d O 2 dans le milieu dans lequel ces minéraux se sont formés et déposés. De plus, de la matière organique est aussi visible autour de certains grains d uraninite. En présence d O 2, elle aurait été oxydée et sa préservation dans un sédiment détritique indique que cette sédimentation s est faite en l absence d O 2 dans des conditions réductrices. Le conglomérat est une roche sédimentaire détritique, c est-à-dire issue de l érosion et d un transport de matériaux. La pyrite et l uraninite se présentent sous forme de grains arrondis, donc ayant subi un transport plus ou moins long. Le document 1c précise que les cours d eau étaient agités, donc aérés. Si l atmosphère contenait de l O 2, alors ces minéraux auraient été oxydés. Le gisement de North Pole en Australie (document 2) correspond à une sédimentation côtière peu profonde avec alternance de coulées basaltiques et de dépôts de sable en milieu agité ou non. Un niveau évaporitique riche en gypse témoigne d un milieu de type lagunaire, confiné, avec une forte évaporation. Le document 3 indique que le gypse est une forme oxydée du soufre, donc le milieu devait renfermer de l O 2. Ce niveau évaporitique est associé à des stromatolites, constructions dues à des cyanobactéries photosynthétiques donc source d O 2. C'est ce dégagement d O 2 qui a entraîné l oxydation du soufre et sa précipitation sous forme de gypse. Le document 4a montre l évolution des quantités d éléments réduits ou oxydés au cours du temps. La disparition de pyrite et d uraninite détritique et l apparition des premiers "redbeds" à partir de 2,3 Ga témoigne du passage d une atmosphère réductrice à une atmosphère oxydante, c est-à-dire contenant de l O 2. Le document 4b confirme le caractère oxydant du milieu à partir de 2,3 Ga, le delta 33 S devenant nul. Les BIF sont des gisements de fer sous forme oxydée et dont l origine est océanique. Ils se forment à partir de 3,5 Ga. Cela signifie qu il existait des cyanobactéries productrices d O 2 dès 3,5 Ga (document 3), mais que cette production d O 2 était locale. L O 2 produit ne pouvait pas diffuser vers l atmosphère car il était aussitôt piégé par l oxydation du fer dans les océans. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 5 16

83 En conclusion, on peut dire qu entre 3,5 et 2 Ga, l atmosphère terrestre est devenue oxydante par enrichissement en O 2 provenant de l activité photosynthétique des cyanobactéries. Par la suite, l accumulation d O 2 puis d O 3 (ozone, ayant un rôle protecteur vis-à-vis des UV) jouera un rôle déterminant dans le développement de la vie à la surface des continents. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 5 17

84 Thème 2 Enjeux planétaires contemporains Évaluation des capacités expérimentales Réaliser une préparation microscopique et un dessin d observation Les capacités évaluées sont celles liées à l utilisation du microscope, à l utilisation d une fiche d identification des pollens de quelques espèces végétales, et à la réalisation d un dessin d observation. Le montage entre lame et lamelle de quelques grains de pollens prélevés dans le tube contenant l extrait de tourbe, suivant le protocole fourni, permet dans un second temps de réaliser un dessin d observation à l aide d un microscope et d identifier deux espèces végétales par les formes caractéristiques de leurs pollens respectifs. Cette identification est réalisée en utilisant une fiche sur laquelle sont consignées pour diverses espèces végétales, des photographies de leurs grains de pollen, leurs exigences climatiques. Un dessin d observation est alors produit après repérage d un champ microscopique permettant d observer les divers pollens identifiés et en utilisant un grossissement approprié. Le tracé de ce schéma doit être soigné ; il doit être centré, ses légendes être écrites avec soin, sans fautes d orthographe, et de façon droite. Un titre est porté en bas du dessin ainsi que le grossissement avec lequel les grains de pollen ont été observés pour le réaliser. Capacités testées Acquis En voie dʼacquisition Non acquis Réaliser une préparation microscopique Appliquer les différentes étapes dʼun protocole Centrage du dépôt sur la lame Placement de la lamelle sur la lame ; absence de bulles dʼair Rangement de la paillasse Utiliser un microscope Choix dʼun champ adapté Choix dʼun grossissement adapté Réglage du diaphragme, du condenseur et de la luminosité Identification des pollens Utilisation dʼune clé de détermination Réalisation dʼun dessin - communiquer Dessiner les pollens présents sur le champ microscopique observé suivant un graphisme adapté (qualité du trait, respect des proportions).

85 Mise en place de légendes adaptées : noms des pollens Mise en place dʼun titre et précision du grossissement utilisé Construire et utiliser une courbe étalon L'objectif de ce travail est de construire une courbe d'étalonnage avec un logiciel tableur/grapheur, puis d'utiliser cette courbe pour déterminer graphiquement une concentration atmosphérique en CO 2. La photographie d'un épiderme de feuille de Ginkgo jiayinensis datant du paléocène montre trois stomates (flèches rouges) entourés d'environ 60 cellules épidermiques. L'énoncé précise la façon de calculer l'indice stomatique : IS = (3 100)/60 = 5. Le logiciel tableur/grapheur permet de construire un graphique et de tracer une courbe étalon (courbe de tendance de type régression linéaire). Il est alors possible de déterminer graphiquement la teneur en CO 2 atmosphérique au Paléocène (environ 410 ppmv) à partir de l'indice stomatique précédemment calculé. Capacités testées Acquis En voie d'acquisition Non acquis Calculer un indice en appliquant une formule Calcul de l'indice stomatique Utiliser un logiciel tableur grapheur Construction d'un graphique correctement légendé Affichage de la courbe de régression linéaire (courbe étalon) Utilisation du graphique pour déterminer la teneur en CO 2 atmosphérique au Paléocène

86 Pour en savoir plus Variations du climat et niveau marin Dilatation thermique des océans - Fonte des calottes glaciaires et des glaciers de montagne 1. Principales caractéristiques de l élévation du niveau marin au cours du XX e siècle et au début du XXI e siecle Document 1 Ce document montre que l élévation actuelle du niveau marin n est que l amorce d un processus susceptible de s étaler sur plus de ans, c'est-àdire bien au-delà de la durée de la perturbation initiale du système climatique (l élévation de la teneur de l atmosphère en gaz à effet de serre), et de la réponse climatique elle-même (l élévation de température moyenne). Document 2 L élévation du niveau marin s est accélérée si on compare la période à la période antérieure allant de 1900 à La carte proposée fait apparaitre une très forte hétérogénéité de ses variations : alors que le niveau marin semble quasi-stable le long des côtes du Nord-Est Pacifique, il atteint près de 12 mm/an le long des côtes du Sud-Ouest Pacifique (côtes des Philippines par exemple), pour une valeur moyenne globale de 3 mm/an. Pour 1/3, ces variations semblent dues au réchauffement des eaux superficielles ; pour le reste, elles peuvent être attribuées à la fonte des calottes glaciaires recouvrant les continents aux hautes latitudes. Document 3 Il apparaît là encore que la fonte des calottes glaciaires s est accélérée sur la période en passant de moins de 200 Gt/an à près du double (400 Gt/an) et un peu plus peut-être (540 Gt/an) pour certaines estimations. À ces taux de fonte correspondent des estimations d élévation du niveau marin inférieure à 0,5 mm/an avant 1960 ; ceci est cohérent avec l élévation de 1 mm/an au total entre 1900 et 1960 et avec une proportion d un peu plus de 1/3 pour la dilatation thermique envisagées dans le document 2. Plus récemment, au-delà de 1990, l augmentation de la fonte continentale permet d envisager des taux d élévation du niveau marin de l ordre de 1 mm/an. Si on considère une hausse globale de 3,3 mm/an (document 2), ceci signifie que durant cette période récente, le réchauffement des eaux superficielles peut avoir contribué pour une proportion bien supérieure au tiers à l élévation du niveau marin. Cependant, il est souligné que les valeurs proposées sur le document 3 sont probablement sous-estimées, ce qui ne permet pas de faire de cette proportion probablement plus élevée une information très fiable.

87 Au final, l élévation du niveau marin qui se déroule depuis le XX e siècle s est accélérée au cours des 20 dernières années en amorçant une évolution quasiexponentielle, et elle est marquée par de fortes disparités régionales, l Ouest Pacifique et le secteur Nord Atlantique paraissant davantage touchés que d autres régions peu affectées pour le moment. Remarque : Cette hétérogénéité est à mettre en relation avec les courants superficiels globaux qui, dans chacun de ces deux océans poussent les eaux chaudes vers ces deux secteurs : il en ressort une augmentation de l épaisseur de la tranche d «eau superficielle» et donc un effet de dilatation thermique accru dans ces deux régions. 2. Influences comparées de la fonte des calottes glaciaires et de la banquise sur l élévation du niveau marin La banquise ne contribue pas à l élévation du niveau marin car elle correspond déjà à un volume d eau océanique. Sa fonte ne contribue donc pas à une livraison d eau à l océan. De plus, la glace étant moins dense que l eau liquide, cette fonte s accompagnerait même d une légère contraction du volume d eau océanique si elle demeurait juste à sa température de changement d état ; cet effet peut ensuite être négligé si l on considère que lors d une fonte de glace, la température globale des océans s élève un peu et que la dilatation thermique des eaux superficielles compense l effet dû à la différence de densité de l eau liquide et de la glace qui l a libérée. En revanche, l essentiel de l eau des calottes glaciaires qui recouvrent les continents aux hautes latitudes s écoule vers les océans à leur fonte : elle contribue donc à une élévation nette du niveau marin. 3. Des estimations diverses pour les taux annuels de fonte de glaces continentales Si on ne prenait en compte que les données d élévation globale du niveau marin et l hypothèse que la dilatation thermique des océans n intervient que pour un peu plus d un tiers dans celle-ci, ce sont près de 2 mm/an qui seraient dus à la livraison d eau depuis les continents par fonte des calottes. Ceci renverrait alors, d après le document 3, à des taux de fonte annuelle de près de 720 Gt/an. Cette évaluation représente donc près du double des estimations proposées dans le document 3 : ceci peut justifier l idée de sous-estimation portée en remarque sur ce même document ; cela peut aussi signifier qu actuellement l effet dilatation thermique contribue pour plus que le tiers estimé à l élévation du niveau global.

88 La mémoire des récifs - Les paléorivages 1. Vitesse d élévation du niveau marin durant la dernière débâcle glaciaire À partir des graphes proposés sur le document 1, il est possible d estimer une vitesse moyenne d élévation du niveau marin à partir de l étude des récifs : niveau marin ( ans) 120 m (par rapport à l actuel) ; niveau marin ( ans) 5 m (par rapport à l actuel). Ceci renvoie donc à un taux estimé de 115 m pour ans, soit 1 m/100 ans ou 1 cm/an. On remarque cependant que ce taux est surtout représentatif de l élévation du niveau marin entre ans et ans (entre ans et ans, ces taux étaient plus faibles signifiant donc une accélération progressive du processus lors de son initiation). Les données de la zone marseillaise livrent des informations similaires sur cette vitesse de remontée : des paléorivages situés respectivement à 50m (PR50) et à 100 m (PR100) par rapport à l actuel ont été datés respectivement de ans et de ans. Ceci renvoie donc à une élévation de niveau marin de 50 m en ans soit là encore un taux moyen d élévation proche de 1 cm/an (1,07 cm/an plus exactement). Plus en détail, en utilisant le paléorivage 90 (PR90), on obtient : une élévation du niveau marin de 0,5 cm/an entre ans et ans ; une élévation du niveau marin de 1,25 cm/an entre ans et ans. De façon globale, les ordres de grandeurs sont donc cohérents mais il semble que les effets de l élévation du niveau marin aient touché la zone méditerranéenne plus tardivement que les zones récifales au cœur des océans. C est peut-être l organisation même du secteur méditerranéen, très fermé avec des communications limitées, qui peut aussi rendre compte d un effet plus limité de la remontée du niveau marin entre ans et ans, ceci étant cohérent avec les fortes disparités régionales qui caractérisent les élévations actuelles du niveau marin. Remarque : La période située entre ans et ans correspond à un épisode froid dans l atlantique Nord, qui a pu aussi retarder ou limiter considérablement l ampleur de la remontée du niveau marin, tandis que cet effet n a pas été enregistré par les récifs (ou très faiblement entre ans et ans avec des pentes plus faibles sur le graphe).

89 2. Intérêts des estimations des vitesses d élévation du niveau marin au cours de la dernière débâcle glaciaire pour prévoir les variations consécutives au changement climatique actuel Les études relatives à la dernière débâcle glaciaire permettent d estimer les effets sur le niveau marin (amplitude et vitesse d évolution) d un réchauffement dont l ampleur peut être évaluée à partir de l étude des glaces polaires (via le thermomètre isotopique) et dont la variation associée de teneur de l atmosphère en dioxyde de carbone est elle aussi connue via l étude des bulles d air contenues dans les glaces. Ceci devrait permettre d extrapoler les effets eustatiques consécutifs au changement climatique actuel ; cependant cette approche admet des limites car la dernière débâcle intervenait après une période de glaciation alors que le changement actuel intervient durant une période interglaciaire : le système actuel sort donc du domaine des fluctuations précédentes. Autre limite, le changement climatique actuel semble être plus rapide que ceux qui se sont déroulés depuis ans. Enfin le changement climatique actuel a pour origine probable une augmentation de gaz à effet de serre dans l atmosphère et non une augmentation d insolation ; les relations de causalité changeant, il est difficile de projeter un modèle établi sur un autre enchainement d effets (d abord variation d insolation, puis amplification via la variation de teneur des gaz à effet de serre). 3. Variations du niveau marin et évolution hétérogène des lignes de rivage En analysant l évolution des lignes de rivages consécutivement à la dernière débâcle glaciaire, on remarque que les paléorivages de ans ont été immergés en Méditerranée et au bord des îles océaniques, alors qu ils sont émergés et surélevés en Scandinavie. Ceci est à mettre en relation avec le fait que la Scandinavie portait une calotte glaciaire, qui en fondant a contribué à l élévation du niveau marin, donc à un effet de submersion des lignes de rivage, mais aussi, dans ce secteur continental, à un rebond isostatique étalé au cours du temps qui a permis à ce secteur de se soulever, de sorte que les lignes de rivage de cette même époque se retrouvent maintenant à l air libre et même à des altitudes pouvant atteindre 400 m. Ceci peut bien sûr être extrapolé aux évolutions actuelles au Groenland ou en Antarctique : au premier effet de submersion des lignes actuelles de rivage consécutivement à la fonte de leur calotte, pourrait s ajouter un effet de rebond isostatique, plus lent, amenant ces mêmes lignes à s élever progressivement à l air libre jusqu à des altitudes dépendant de leur englacement actuel. Dans les autres régions, non recouvertes de calottes, ces effets ne jouent pas et les lignes actuelles de rivage ne peuvent qu être immergées progressivement.

90 Thème 3 Corps humain et santé Le thème de Terminale S spécialité intitulé «Glycémie et diabète» a un double objectif. Premièrement il s'agit de s'appuyer sur l'origine du glucose sanguin pour présenter les grandes propriétés des enzymes. Il s'agit donc d'étudier des enzymes de l appareil digestif dont le rôle est de simplifier des sucres complexes contenus dans notre alimentation et qui sont composés entre autres de glucose. Le deuxième objectif est d'étudier un paramètre physiologique soumis à régulation, la glycémie, ainsi que les conséquences d'un dysfonctionnement de cette régulation. L'esprit du programme de Terminale spécialité SVT est clairement de mettre en avant la démarche d'investigation et la mise en situation pratique des élèves. Les notions abordées dans ce thème 3 autorisent une grande diversité de situations pratiques qui ont servi d'éléments fondateurs pour bâtir les trois chapitres. Le chapitre 6 est la première occasion pour les élèves d'approfondir une notion complexe, celle d'enzyme. L'existence d'enzymes a déjà été mentionnée aux élèves mais sans pour autant leur expliquer leur rôle précis et leur fonctionnement. L'étude de la vitesse des réactions chimiques (réactions lentes, réactions rapides) et de catalyse est abordée en chimie dans la classe de Terminale scientifique. À noter qu'en ce qui concerne la catalyse, le programme de chimie mentionne en plus des catalyses homogène et hétérogène, la catalyse enzymatique. Il y a donc ici un point de convergence explicite entre SVT et physique-chimie. Il s'agira donc de travailler en interdisciplinarité au sein des équipes pédagogiques de SVT et physique-chimie. Le chapitre 7 se veut très transversal et permet de réinvestir un certain nombre de connaissances acquises en Seconde et en Première scientifique. Ainsi, les élèves ont déjà été amenés à construire la boucle nerveuse de régulation de la pression artérielle. Les différents éléments d'une boucle de régulation sont donc connus : capteurs, centre intégrateur, effecteur et système de transmission des informations. De plus, l'élaboration d'un schéma fonctionnel pour représenter une boucle de régulation a déjà été travaillée. Ainsi, en classe de Terminale spécialité, il s'agit de mobiliser ces compétences et de les appliquer dans le cadre de l'étude d'un autre paramètre, la glycémie. En Première scientifique, les élèves ont également construit les schémas fonctionnels illustrant le contrôle hormonal du fonctionnement des gonades chez l'homme et la femme. La notion de communication hormonale a donc été retravaillée à cette occasion. Ainsi, l'élaboration de ce chapitre a été pensée de façon à faire découvrir aux élèves les différents éléments de notre organisme intervenant dans la boucle de régulation de la glycémie, qui leur permettront de construire progressivement un schéma fonctionnel de cette boucle. Le chapitre 8 se focalise sur les deux formes les plus fréquentes du diabète, le diabète de type 1 et le diabète de type 2. Les connaissances sur la régulation de la glycémie, construites au cours du chapitre précédent, permettent aux élèves d'appréhender les mécanismes complexes qui NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Thème 3 1

91 sont en jeux lors du développement de ces pathologies complexes. Le diabète de type 2 a éventuellement déjà été étudié par certains élèves en classe de Première scientifique à l'occasion du thème 3B «Variation génétique et santé», comme exemple de maladie dont le développement dépend de l interaction complexe entre facteurs du milieu et génome. Cependant, en classe de Terminale spécialité, le programme ne s'arrête pas à cet aspect multifactoriel mais précise qu'il faut montrer que cette forme de diabète est liée à un défaut de l'action de l'insuline. Concernant le diabète de type 1, il s'agit également de souligner son aspect multifactoriel et de montrer qu'il s'agit d'une maladie auto-immune. Ainsi, ce chapitre s'ouvre sur une étude de cas clinique permettant de mettre en évidence les deux formes de diabète avant de réaliser une étude plus précise de ces diabètes et de préciser leurs origines respectives. RESSOURCES Ouvrages généraux et spécialisés Biologie moléculaire de la cellule, Alberts B. & coll. Biochimie, Voet D & J. G., De Boeck Université Enzymologie moléculaire et cellulaire, Yon-Kahn J. & Hervé G., EDP SCIENCES, Précis de physiologie médicale, Guyton & Hall, Piccin Anatomie et physiologie humaine, Marieb E. N., Pearson Articles et publications «The Original Michaelis Constant: Translation of the 1913 Michaelis Menten Paper», Kenneth A. Johnson & Roger S. Goody, Biochemistry, Septembre «Human salivary α-amylase Trp58 situated at subsite -2 is criticalfor enzyme activity», Narayanan Ramasubbu, Eur., J. Biochemistry, «Myocardial and skeletal muscle glucose uptake during exercise in humans», Jukka Kemppainen & al., Journal of Physiology, «Aqueous Extracts Of Pancreas. III. Some Precipitation Reactions Of Insulin.», C. P. Kimball & John R. Murlin., The Journal of Biological Chemistry, Septembre «Development and Regulation of Glucose-6-Phosphatase Gene Expression in Rat Liver, Intestine, and Kidney», Florence Chatelain & al., Diabetes, «Characterization of the Effects of Arginine and Glucose on Glucagon and Insulin Release from the Perfused Rat Pancreas», John E. Gerich & al., J Clin Invest., Octobre «Regulation of glycogen synthase and phosphorylase activities by glucose and insulin in human skeletal muscle.», H Yki-Järvinen & al., J Clin Invest, Juillet «Effects of glucagon and insulin on fatty acid synthesis and glycogen degradation in the perfused liver of normal and genetically obese (ob/ob) mice.», G. Y. Ma & al., Biochem J., Septembre «Synergistic Inhibition of Glucagon-induced Effects on Hepatic Glucose Metabolism in the Presence of Insulin and a camp Antagonist», J.S. Marks and L.H. Parker Botelho, The Journal Of Biological Chemistry, Mai NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Thème 3 1

92 «Variations in the antagonistic effects of insulin and glucagon on glycogen metabolism in cultured foetal hepatocytes», P. Menuelle and C. Plas, Biochem J., Juillet «Activating Fc Receptors Participate in the Development of Autoimmune Diabetes in NOD Mice», Yoshihiro Inoue & al., The Journal of Immunology, «Prediction of Autoantibody Positivity and Progression to Type 1 Diabetes: Diabetes Autoimmunity Study in the Young (DAISY)», J. M. Barker & al., The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism, «Virus-Induced, Diabetes, Mellitus», Ji-Won YOON & al., The journal of experimental medicine, «Enterovirus infection and type 1 diabetes mellitus: systematic review and metaanalysis of observational molecular studies», W.-C. G Yeung & al., BMJ, Février «Pathologic Changes and Glucose Homeostasis According to Expression of Human Islet Amyloid Polypeptide in Type 2 Diabetic Patients», J. Y. Park & al., J Histochem Cytochem, Août «Recurrence of Type 1 Diabetes After Simultaneous Pancreas-Kidney Transplantation, Despite Immunosuppression, Is Associated With Autoantibodies and Pathogenic Autoreactive CD4 T-Cells», F. Vendrame, Diabetes, Avril «Regulated Membrane Trafficking of the Insulin-Responsive Glucose Transporter 4 in Adipocytes», R. T. Watson, Endocrine Reviews, «Restoration of insulin responsiveness in skeletal muscle of morbidly obese patients after weight loss. Effect on muscle glucose transport and glucose transporter GLUT4.», J E Friedman, J Clin Invest., «Global and societal implications of the diabetes epidemic», P. Zimmet & al., Nature, Décembre «Type 2 diabetes mellitus: from genes to disease», M. T. Malecki & T. Klupa, Pharmacological reports, «Type 2 Diabetes in the Young The evolving epidemic», T Zachary & MD Bloomgarden, Diabetes care, avril «Make Your Diabetic Patients Walk - Long-term impact of different amounts of physical activity on type 2 diabetes», C. Di Loreto & al., Diabetes Care, «The natural history of insulin secretory dysfunction and insulin resistance in the pathogenesis of type 2 diabetes mellitus», C. Weyer & al., J. Clin. Invest., Sites Internet Des sites généraux : (voir dans «Santé») (voir les fiches de synthèse sur «état de santé des populations» et «pathologies») NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Thème 3 1

93 Des sites plus spécialisés : enzymologie glycémie et notion de boucle de régulation les diabètes de type I et de type II études épidémiologiques Des sites proposant des informations sur les métiers : métiers de la science et de la recherche NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Thème 3 1

94 Chapitre 6 Rôle des enzymes dans l apport du glucose sanguin Objectifs généraux Ce chapitre est l occasion de présenter aux élèves les particularités des enzymes et leur rôle essentiel dans le fonctionnement des organismes vivants. L intervention d enzymes dans les réactions chimiques du vivant a déjà été mentionnée en 1 re S à l occasion de l étude de la réplication de l ADN mais sans souci de description exhaustive. En se basant ici sur l exemple de la digestion et plus particulièrement de l apport en glucose, les élèves de spécialité SVT découvriront les grandes propriétés de ces enzymes. Les approches expérimentales sont largement mises en avant : mise en œuvre de protocoles expérimentaux dont certains assistés par ordinateur (étude colorimétrique à l aide de système ExAO), exploitation de banques de données moléculaires, modélisation numérique. Ce chapitre fait appel notamment à des acquis des classes de 5 e et de 1 re S. Les connaissances sur la digestion, construites en 5 e, sont rappelées en ouverture du thème 3 (p. 108). Ce chapitre est également très propice au travail interdisciplinaire (modélisation mathématique de données expérimentales, notion de catalyse en chimie). Les instructions officielles prises en compte Les glucides à grosses molécules des aliments sont transformés en glucose grâce à l action d enzymes digestives. Les enzymes sont des protéines qui catalysent des transformations chimiques spécifiques (ici celles de la digestion). Limites : La digestion n est pas en elle-même au programme. Elle est simplement l occasion d enseigner les notions fondamentales concernant les enzymes. Progression retenue dans le chapitre L activité 1 permet de préciser l origine alimentaire du glucose sanguin et de mettre en évidence la nécessité de l intervention de catalyseurs particuliers, les enzymes, dans le processus de digestion. L activité 2 expose d une part la spécificité de substrat des enzymes et d autre part leur spécificité d action. L activité 3, à travers l étude des cinétiques enzymatiques, montre l influence de la concentration en substrat et de la concentration en enzyme sur la vitesse des réactions enzymatiques. Elle permet de faire réfléchir les élèves sur l interaction de l enzyme avec son substrat lors de la catalyse. L activité 4 vise à valider et préciser l hypothèse d une interaction entre l enzyme et son substrat au travers de la modélisation mathématique établie par Maud Menten et Leonor Michaelis au début du xx e siècle. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 6 1

95 L activité 5 illustre les modalités d interactions entre l enzyme et son substrat à l aide d observations de modèles moléculaires tridimensionnels. En conclusion, ce chapitre permet de construire progressivement la définition de catalyse enzymatique en se basant spécifiquement sur l exemple d enzymes digestives participant à l approvisionnement du sang en glucose. Proposition de programmation hebdomadaire La réalisation de ce chapitre est envisageable a priori en 4 semaines. Au cours de la première semaine les rappels sur la digestion peuvent être faits en s appuyant sur l activité 1 qui soulève le problème des vitesses de dégradations des aliments sources de glucose. La deuxième semaine peut alors être consacrée à la deuxième activité qui met en évidence la double spécificité des enzymes, une notion importante mais nouvelle pour les élèves. La troisième semaine est à consacrer aux études de cinétiques enzymatiques qui permettront aux élèves d émettre l hypothèse d une interaction entre l enzyme et son substrat. La dernière séance sera l occasion d expliquer cette interaction en s appuyant sur une modélisation mathématique, puis de la visualiser avec des modèles moléculaires tridimensionnels. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 6 2

96 Activité 1 La digestion : des réactions catalysées (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports L objectif de cette double page est de faire réfléchir les élèves sur l origine alimentaire du glucose sanguin et sur les conditions de la libération du glucose à partir de la dégradation de molécules complexes dans le tube digestif. Le document 1 permet de mettre en évidence que le glucose n est pas une molécule directement présente dans nos aliments, mais qu il provient de la simplification de molécules plus complexes. L expérience proposée montre que cette simplification moléculaire peut se faire spontanément mais que dans ce cas elle prend beaucoup de temps. Le document 2 s appuie sur une activité pratique et permet de montrer les conditions de la dégradation de ces molécules complexes. 2. Pistes d exploitation : productions élèves attendues 1. Le document 1a nous renseigne sur le fait que le glucose, au sens strict, rentre dans la composition de peu d aliments : 100 % pour le sirop de glucose, mais que 3 % dans le complément alimentaire et absent de la farine de maïs. Le document 1c montre que quel que soit l aliment ingéré, le taux de glucose dans le sang augmente. Il passe de 80 à 120 mg.l -1 de sang en 30 min environ. Les différents aliments ont donc tous conduit à la libération du glucose. On en déduit qu au cours de la digestion il y a eu une simplification moléculaire des différents polymères de glucose (document 1b). Dans le document 1d, on constate qu une solution d amidon placée à 37 C ne libère pas de glucose au bout de 30 min. C est après une semaine qu on observe une hydrolyse partielle de l amidon. Ce temps est donc beaucoup plus long que celui constaté au cours de la digestion dans le document 1c. En revanche, l hydrolyse est effectuée en 30 min en présence d amylase. Donc l intervention d enzymes est indispensable pour réaliser une digestion suffisamment rapide afin d être compatible avec les systèmes vivants. 2. Le document 1d, nous a montré une première propriété importante des enzymes : ce sont des molécules capables d augmenter la vitesse de réactions chimiques lentes. Ce sont donc des catalyseurs. L hydrolyse in vitro de l amidon est observée en quelques minutes uniquement lorsque certaines conditions sont réunies : température de 37 C en présence d amylase. Si l amylase est absente ou si la température est basse (4 C) ou élevée (95 C), cette hydrolyse n est pas observée en 24 min. L amylase agit donc dans les conditions de températures proches de celles du système vivant dans lequel elle intervient (ici = le tube digestif). Les enzymes sont donc des biocatalyseurs qui agissent dans des conditions compatibles avec le vivant. 3. L hydrolyse in vitro de l amidon n est observée qu à la température de 37 C. À une température trop basse (4 C) ou trop élevée (95 C), cette hydrolyse n a pas lieu en 24 min. Les enzymes sont donc sensibles à la température du milieu. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 6 3

97 Aide à la réalisation expérimentale L expérience du document 1 doit avoir été lancée la semaine qui précède la séance proprement dite de façon à laisser le temps pour une dégradation partielle de l amidon. 3. Pour aller plus loin Plus la température d un milieu est basse, plus l agitation moléculaire est réduite. Cela entraîne une diminution de la probabilité de rencontre entre les différentes molécules présentes dans le milieu. Dans le cas d une réaction enzymatique, la probabilité de rencontre entre enzyme et substrat (notion développée au cours des activités 3 à 5) sur une période de temps donnée est donc diminuée. La vitesse de la réaction en est d autant plus réduite. En revanche une augmentation de température trop importante modifie les interactions entre les radicaux des acides aminés de l enzyme conduisant à sa dénaturation, c est-à-dire une modification de sa structure tridimensionnelle dont l intégrité est indispensable à son bon fonctionnement (voir activité 5). D autres facteurs du milieu influencent l activité des enzymes, comme le ph. Le ph affecte l état d ionisation des radicaux des acides aminés. Cela détermine les liaisons qu ils établissent entre eux et donc détermine la structure tridimensionnelle de l enzyme. Activité 2 La double spécificité des enzymes (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports L objectif de cette double page est de faire découvrir aux élèves une propriété fondamentale des enzymes : leur double spécificité. En utilisant la saccharase de levure, facilement obtenue à partir d une culture de levure Saccharomyces cerevisiae, associée à une comparaison de modèles moléculaires, le document 1 permet de mettre en évidence la spécificité du substrat des enzymes. Le document 2 permet de montrer la spécificité de réaction des enzymes. Ce document s appuie sur le devenir d un carrefour métabolique, glucose-6-phosphate, en fonction de l équipement enzymatique des levures. 2. Tâche complexe : production élèves attendue Le document 1b montre que les trois diholosides étudiés, le saccharose, le maltose et le lactose ont des structures très voisines en plus d avoir la même formule brute. Dans l expérience du document 1c, la mise en présence de la saccharase avec ces trois molécules, à une température de 30 C, conduit uniquement à l hydrolyse du saccharose. La saccharase n agit donc que sur un substrat et ne peut pas accélérer l hydrolyse NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 6 4

98 d autres molécules même si leurs structures sont très proches. Les enzymes ont donc bien une spécificité de substrat. Le document 2a montre que deux enzymes différentes, la phosphoglucomutase et la phosphoglucoisomérase agissent toutes deux sur un même substrat, le glucose-6-phosphate mais conduisent à la formation d un produit différent. Chez la souche de levures mutantes pgi1, qui ne possède pas la phosphoglucoisomérase, on constate une accumulation du substrat glucose-6-phosphate associée à une diminution du produit fructose-6-phosphate. De même, il y a une diminution d un facteur 6 de la quantité d ATP, produit final de la voie métabolique impliquant la phosphoglucoisomérase. Ainsi, l activité phosphoglucomutase ne permet pas de pallier l absence de l activité phosphoglucoisomérase. De façon similaire, chez la souche de levures pgm1/2, la présence seule de la phosphoglucoisomérase ne permet pas d avoir une activité phosphoglucomutase. Chaque enzyme n est donc capable de catalyser qu un seul type de réaction. Les enzymes ont donc aussi une doubel spécificité : spécificité de substrat et spécificité d action. Aide à la résolution de la tâche complexe (Document 1) Comparez la composition et la structure des trois glucides. Comparez ensuite l action de l enzyme présente dans le filtrat de levures sur ces trois glucides. Mettez alors en relation des observations pour mettre en évidence la spécificité de substrat des enzymes. (Document 2) Comparez les réactions catalysées par la phosphoglucomutase et la phosphoglucoisomérase. Précisez les réactions qui ont lieu chez les mutants qui n expriment pas ces enzymes. Qu en déduisez-vous sur le type de réaction catalysée par une enzyme? 3. Pour aller plus loin La saccharase de la levure S. cerevisiae est une β-fructosidase qui ne peut catalyser que l hydrolyse du saccharose. Elle est aussi connue sous le nom d «invertase». Ce nom provient du fait que les produits de l hydrolyse du saccharose ont un pouvoir rotatoire inverse de celui du saccharose. En revanche la saccharase exprimée dans les intestins de l homme est une α-glucosidase qui catalyse à la fois l hydrolyse du saccharose et du maltose. Elle porte donc aussi le nom de «maltase». Aide à la réalisation expérimentale Il existe différentes souches de levures. Pour l expérience proposée dans le document 1, il faut donc s assurer de disposer d une souche qui exprime et sécrète la saccharase (souche sac +). NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 6 5

99 Activité 3 Les cinétiques enzymatiques (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports Les activités précédentes ont permis de mettre en évidence que les enzymes sont des catalyseurs biologiques spécifiques. Alors que ces activités sont basées principalement sur des données qualitatives, l activité 3 propose une approche beaucoup plus quantitative. À travers le suivi du déroulement d une réaction enzymatique, l hydrolyse de l amidon par l amylase, les élèves pourront découvrir comment évolue la vitesse de ces réactions ainsi que l impact des concentrations en substrat et en enzyme. L utilisation de la colorimétrie permet de plus aux élèves de visualiser la réaction. Ainsi, le document 1 propose d étudier l influence de la concentration en amidon sur la vitesse de son hydrolyse par l amylase. Le document 2 consiste en une analyse plus poussée des résultats du document 1. Il s agit ici de montrer que pour une concentration d enzyme donnée, la vitesse de la réaction atteint un maximum (V max ) à partir d une certaine concentration en substrat. Enfin, le document 3 se base sur le même type d expérience mais cette fois la concentration en substrat est fixe et on s intéresse à l effet d une augmentation de la concentration en enzyme. Le traitement des données obtenues pour établir l évolution de la vitesse initiale de la réaction en fonction de la concentration en substrat (et/ou en enzyme) est l occasion de faire travailler les élèves sur l utilisation d un tableur. 2. Tâche complexe : production élèves attendue Dans l expérience du document 1, les variations de concentration en amidon au cours de son hydrolyse par l amylase sont suivies grâce à la transmittance à λ = 468 nm. Sur le graphique du document 1, plus la transmittance est élevée (proche de 100 %), plus la quantité d amidon encore présente dans le tube est faible. C est donc la pente de chacune des courbes (variation de transmittance en fonction du temps) qui détermine la vitesse d hydrolyse de l amidon au cours du temps. D une part, on remarque que quelle que soit la concentration initiale en amidon la pente de la courbe diminue au cours du temps. La vitesse des réactions enzymatiques est donc maximale en début de réaction, puis diminue progressivement. D autre part, plus la concentration en amidon est élevée, plus la pente de la courbe en début de réaction est importante. Pour une concentration en enzyme donnée, la vitesse initiale de la réaction enzymatique est donc d autant plus rapide que la concentration en substrat est importante. La représentation de cette vitesse initiale en fonction de la concentration initiale en substrat dans le document 2 permet de montrer qu il existe cependant une limite à cette augmentation de la vitesse initiale. Au-delà d une certaine concentration en amidon, ici 0,2 %, la vitesse initiale atteint un maximum V max. De façon analogue, les résultats obtenus dans le document 3 montrent que pour une concentration donnée en substrat, plus la concentration en enzyme est élevée, plus la vitesse de la réaction augmente jusqu à une certaine limite. Ainsi la vitesse d une réaction enzymatique dépend d au moins deux facteurs interdépendants : la concentration en enzyme et la concentration en substrat. Cette NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 6 6

100 relation peut s expliquer si l on considère qu enzyme et substrat interagissent entre eux physiquement au cours de la catalyse en formant un complexe enzyme-substrat. En effet, dans ce cas, le nombre de complexes susceptibles de se former dépend directement du nombre d enzymes et de substrats disponibles dans le milieu réactionnel. Aide à la réalisation expérimentale L amylase peut être obtenue facilement en prélevant de la salive. Cependant, manipuler des produits d origine humaine implique de prendre toutes les précautions nécessaires pour assurer la sécurité des élèves. Notamment, le recueil de la salive doit s effectuer dans un récipient stérile et de préférence dans du matériel à usage unique. De plus, les élèves ne peuvent manipuler que sur leurs propres sécrétions. Cependant des amylases de substitution peuvent aussi permettre l expérimentation. Ainsi, l amylase peut être obtenue à partir de maximalise achetée en pharmacie ou auprès de fournisseurs de produits et matériels de SVT. Les conseils de sécurité lors des phases de manipulation en laboratoire sont disponibles sur le site de l académie de Toulouse : La détermination de vitesse initiale nécessite une manipulation rapide dès l ajout de l amylase à la solution d amidon. L idéal, si le système le permet, est de lancer les mesures sur les solutions maintenues sous agitation douce avant l ajout de l amylase. L activité des amylases peut-être assez variable suivant le type d amylase utilisé. Il est donc utile de tester les gammes de concentrations d amylase et d amidon afin d obtenir des vitesses de réactions analysables. Aide à la résolution de la tâche complexe (Document 1) Analysez l évolution de la transmittance, c est-à-dire l évolution de la concentration en produit, au cours du temps pour une concentration de substrat donné. Que constatez-vous? Comparez alors cette évolution pour des concentrations croissantes en substrat. Déduisez-en les conditions pour lesquelles la vitesse de réaction est maximale. (Document 2) Analysez l évolution de la vitesse initiale de la réaction en fonction de la concentration en substrat. Proposez une explication à l existence d un plateau pour les grandes concentrations en substrat. (Document 3) Analysez l évolution de la vitesse initiale de la réaction en fonction de la concentration en enzyme pour une concentration en substrat fixe. Mettez en relation ces observations avec celles du document 2. En quoi ces résultats suggèrent-ils la formation de liaisons entre enzymes et substrats? NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 6 7

101 Activité 4 Modélisation de la catalyse enzymatique (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports La réalisation de cette double page se veut résolument ambitieuse au regard des exigences du programme concernant ce chapitre. Cependant, sans chercher à amener de nouvelles connaissances aux élèves elle a pour objectif de développer le travail transdisciplinaire. Le travail proposé peut d ailleurs faire l objet d un approfondissement dans le cadre de l accompagnement personnalisé. De plus, cette double page a été construite de façon à mettre en pratique une démarche historique. Le document 1 présente les hypothèses de travail de Leonor Michaelis et Maud Menten dont les travaux ont été fondateurs dans le domaine de l enzymologie. Ces hypothèses les ont conduits à établir un modèle mathématique de l avancement des réactions enzymatiques. Les documents 2 et 3 permettent de confronter les résultats attendus selon leur modèle avec les valeurs réellement mesurées. 2. Pistes d exploitation : productions élèves attendues 1. Le modèle de Michaelis et Menten se base sur l hypothèse de la formation d un complexe enzyme-substrat au cours de la réaction : E + S ES E + P Traduit sous forme mathématique cela permet d obtenir l équation suivante pour la vitesse de réaction : [ ] v = d[g]/dt = c Eo [ S] [ S] + Km Dans cette équation, [Eo], qui représente la concentration en enzyme, est au numérateur. Donc plus cette concentration est élevée, plus la vitesse de la réaction, v, sera grande. De plus, [S] + K m > [S], donc le rapport ([S]/[S] + K m ) est inférieur à 1. Mais plus la concentration en substrat [S], est élevée, plus ce rapport se rapproche de la valeur 1 et donc plus la vitesse de réaction v, sera grande. Cette équation rend donc bien compte des observations de l activité 3, selon lesquelles la vitesse d une réaction enzymatique augmente lorsque les concentrations en substrat et/ou en enzyme augmentent. 2. L équation proposée par Michaelis et Menten peut-être écrite de la façon suivante : [ ] v = d[g]/dt = c Eo ([ So] [ G] ) So [ ] [ G] + Km On remarque alors que la vitesse de réaction dépend d une variable, la concentration en produit ([G]) et de deux constantes, «c*[eo]», avec [Eo] qui est la concentration en enzyme et «K m». NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 6 8

102 De plus, on précise que c*[eo] = V max et que la valeur de K m peut être estimée graphiquement comme la concentration initiale en substrat telle que la vitesse initiale soit égale à V max /2. Les valeurs des concentrations en glucose ([G]) au cours du temps étant mesurées expérimentalement, la dernière inconnue reste c*[eo]. En utilisant l équation de Michaelis et Menten, il est possible d isoler c*[eo]. Si pour les différentes mesures expérimentales de [G] en fonction du temps on obtient la même valeur pour «c*[eo]», alors il s agit bien d une constante comme le prévoit l équation, ce qui validerait le modèle de Michaelis et Menten. Or d après les données du tableau du document 2, on constate que les valeurs calculées pour «c*[eo]» sont toutes proches de leurs moyennes 0,7870 mmol. L -1.min -1. Il s agit donc bien d une constante. De plus, des analyses informatiques modernes (document 3) ont permis de déterminer que la valeur de 0,80 mmol. L -1.min -1 pour «c*[eo]» (ou V max ) permet un très bon ajustement du modèle mathématique avec les résultats expérimentaux obtenus par Michaelis et Menten. Ainsi la concordance presque parfaite entre le modèle proposé et les résultats expérimentaux obtenus permet de valider le modèle de Michaelis et Menten. Remarques : La concentration en enzyme [Eo] n est ici pas connue. En effet, à l époque la nature même des enzymes n était pas connue. Les conclusions obtenues par Maud Menten et Leonor Michaelis sont donc d autant plus remarquables qu ils ne savaient pas en quoi consistait une enzyme! Il est possible de montrer aux élèves le raisonnement permettant d arriver à la conclusion que c*[eo] = V max et que K m correspond à la concentration en substrat telle que v = V max /2. Pour les très grandes concentrations en substrat [So], on sait d après les résultats obtenus dans l activité 3 que la vitesse initiale de la réaction v = V max. De plus, si [So] + alors ([So]- [G])/([So]- [G] + K m ) 1. Donc, si [So] +, v = c*[eo] = V max. Dans l équation de Michaelis et Menten, si on considère la concentration en substrat égale à K m, alors on obtient : donc pour [So] = K m, v = V max /2. Ainsi, sur les graphiques de cinétique enzymatique représentant la vitesse initiale en fonction de la concentration initiale en substrat, K m peut donc bien être déterminée comme la concentration en substrat telle que v i = V max /2. 3. Pour aller plus loin Km v = d[g]/dt = Vmax Km + Km Le raisonnement de Maud Menten et Leonor Michaelis pour élaborer l équation de la vitesse d une réaction enzymatique est abordé dans la section «Pour en savoir plus» p NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 6 9

103 Activité 5 Le complexe enzyme-substrat (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports L activité précédente permet de démontrer mathématiquement l existence d une interaction entre l enzyme et son substrat. Cependant cette démonstration peut rester assez abstraite pour les élèves. Cette dernière double page permet d illustrer cette interaction en faisant découvrir aux élèves la notion de complexe enzyme-substrat à l aide de modèle moléculaire en 3D. De plus, ces visualisations des complexes enzymesubstrat permettent d expliquer la double spécificité des enzymes mise en évidence dans l activité 2. Le document 1 propose de découvrir, à l aide du logiciel Rastop, la structure de l amylase seule et associée à un analogue structural de l amidon. L objectif ici est d illustrer la complémentarité stricte de forme entre une cavité dans l enzyme, le site actif, et le substrat. Dans le document 2, on propose aux élèves de comparer la forme normale de l amylase avec différents variants affectés au niveau de la structure de leur site actif. Ce document, en appuie avec le premier, permet de montrer que c est bien la complémentarité de forme entre le site actif de l enzyme et son substrat qui explique les propriétés catalytiques de l enzyme. 2. Tâche complexe : production élèves attendue Les résultats obtenus dans le document 1 permettent de constater que l enzyme a une forme globulaire et ménage un espace, appelé site-actif, dont la forme est complémentaire de la forme du substrat avec lequel elle interagit. L observation minutieuse de la zone de contact entre l amylase et son substrat révèle que ce sont les radicaux d une dizaine d acides qui participent à la formation de ce site-actif. Le substrat se loge dans l espace ménagé entre les acides aminés. Les résultats du document 2 montrent que dans le cas de l amylase, le remplacement de l acide aminé tryptophane n 58, qui appartient au site actif, par un acide aminé alanine entraîne une modification minime de sa configuration spatiale (document 2a). Le substrat peut toujours de loger dans le site actif (document 2b) mais la capacité de l amylase à catalyser l hydrolyse de l amidon est divisée de presque 200 fois (document 2c). Ainsi, l étude de la structure de l amylase et du complexe amylase-amidon, permet de montrer l existence d un site dans l enzyme qui a une forme strictement complémentaire à son substrat. Cette complémentarité entre ce site, dit site-actif, et le substrat est indispensable à l activité catalytique de l enzyme et explique donc en quoi les enzymes ont une spécificité de substrat et d action. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 6 10

104 Aide à la résolution de la tâche complexe (Document 1) Comparez les structures de l enzyme et de son substrat. Notez les relations entre le substrat et les acides aminés qui en sont le plus proches. (Document 2) Comparez la structure aménagée par les acides aminés de l enzyme normale et de celle modifiée. Comparez ensuite l efficacité catalytique de l enzyme normale et des variants modifiés au niveau des acides aminés du site actif proches du substrat. Montrez en quoi ces observations permettent d expliquer la double spécificité des enzymes mise en évidence dans l activité Pour aller plus loin Le site actif des enzymes comporte des acides aminés impliqués dans la fixation du substrat et d autres dans la catalyse proprement dite. Ces deux groupes d acides aminés forment respectivement le site de fixation et le site de catalyse. Ainsi, le site actif regroupe à la fois un site de fixation et un site de catalyse. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 6 11

105 Correction de l exercice BAC L intolérance au lactose À partir de l analyse des documents présentés, montrez que l intolérance au lactose s explique par des niveaux d activités enzymatiques différents par rapport aux individus tolérants. Montrez que ces différences sont présentes à deux niveaux de l appareil digestif. On cherche ici à expliquer l origine de l intolérance au lactose au niveau moléculaire. Il s agit, à travers l analyse des documents, d identifier au moins deux enzymes dont les activités sont modifiées chez les individus intolérants. De plus, il est demandé d associer ces activités enzymatiques à une partie particulière de l appareil digestif. Enfin ce type de sujet demande une mise en relation des documents. Il s agira donc de faire le lien entre les modifications des activités enzymatiques identifiées. Le document 1 permet simplement de situer le lieu de digestion du lactose et l origine des symptômes de l intolérance au lactose. Ce sont les documents 2 à 4 qui permettent d apporter une réponse au problème posé. Une proposition de corrigé est donnée ci-dessous. Dans le document 1, on constate que le lactose est transformé en galactose et glucose dans la partie centrale de l intestin : le jéjunum. L incapacité à réaliser cette digestion est associée à des concentrations élevées dans la partie terminale de l intestin (le colon) de dioxyde de carbone, de méthane, butyrate, lactate et acétate. Dans le document 2, on observe la présence de lactase au niveau de la membrane des cellules intestinales uniquement chez les individus tolérant au lactose. Donc, l intolérance au lactose s explique au moins en partie par une absence d expression de la lactase par les cellules intestinales. D après le document 3, on constate que le colon contient environ 10 à 100 milliards de fois plus de bactéries que le jéjunum. De plus, les bactéries intestinales sont capables d utiliser le lactose pour réaliser des fermentations conduisant à la formation de substances responsables des symptômes de l intolérance au lactose (dioxyde de carbone, lactate, méthane etc.). Le lactose non hydrolysé au niveau du jéjunum est donc utilisé par les bactéries du colon chez les individus intolérants au lactose. Enfin dans le document 4, l étude de bactéries du colon révèle que celles d un individu intolérant au lactose produisent plus rapidement du lactate, de l acétate et du butyrate que celles issues d un individu sain. Donc, l intolérance au lactose s explique également par la présence d une population bactérienne particulière au niveau du colon qui transforme rapidement le lactose. Conclusion : Ainsi, l intolérance au lactose s explique par une activité lactase nulle (ou très réduite) au niveau du jéjunum qui permet par la suite une activité bêta-galactosidase (à la base de réactions fermentaires) d origine bactérienne élevée au niveau du colon. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 6 12

106 Chapitre 7 La régulation de la glycémie Objectifs généraux Les élèves de terminale ont vu en 2 de, à travers l exemple de la pression artérielle, que certains paramètres physiologiques sont soumis à régulation. L étude de la pression artérielle a été l occasion de travailler la notion de «boucle de régulation» et d identifier les différents éléments nécessaires à leur fonctionnement : des capteurs sensibles aux variations du paramètre régulé ; un centre de commande qui intègre les informations issues des capteurs et module l activité de l effecteur ; des effecteurs qui agissent sur le paramètre en question pour rétablir une valeur normale ; un système de communication qui permet de transmettre les informations entre capteurs, centre de commande et effecteurs. Seul le contrôle nerveux de la pression artérielle a été abordé en seconde. L objectif de ce chapitre est d étudier un autre aspect de la stabilité du milieu intérieur : le taux de glucose dans le sang. Il s agit ici, en s appuyant sur les acquis de seconde, de montrer que cette stabilité est un état stationnaire dynamique. On se limite à un seul mécanisme physiologique de contrôle : le contrôle hormonal. La construction du chapitre a été réalisée en suivant deux grands objectifs : faire une place large aux approches expérimentales et faire construire pas à pas aux élèves la boucle de régulation hormonale de la glycémie. Les instructions officielles prises en compte La régulation de la glycémie repose notamment sur les hormones pancréatiques : insuline et glucagon. Limites : Les autres mécanismes physiologiques de régulation de la glycémie sont exclus. Progression retenue dans le chapitre L objectif dans ce chapitre est de permettre aux élèves d identifier les différents éléments de la boucle de régulation hormonale de la glycémie puis de la construire en s appuyant sur leurs acquis de seconde. L activité 1 met en évidence que la glycémie est un paramètre physiologique régulé. À partir de ce constat, les activités 2 à 5 permettent de mettre en place chacun des acteurs de la boucle de régulation de la glycémie. L activité 2 a pour objectif d identifier les organes effecteurs qui interviennent en cas d augmentation de la glycémie alors que l activité 3 illustre le rôle spécifique du foie suite à une baisse de la glycémie. Dans les activités 4 et 5, nous présentons le rôle du pancréas et des hormones pancréatiques, ce qui permet d achever la construction de la boucle de régulation. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 7 1

107 Proposition de programmation hebdomadaire La réalisation de ce chapitre est envisageable à priori en 3 à 4 semaines. Au cours de la première semaine les rappels sur la notion de paramètre régulé peuvent être faits en s appuyant sur l activité 1 qui met en évidence l existence d une régulation de la glycémie. La mise en évidence expérimentale d un stockage du glucose, proposée dans l activité 2, peut également être envisagée au cours de cette même séance. La deuxième semaine peut alors être consacrée à la troisième activité et à la réalisation de l expérience du foie lavé qui met en évidence la spécificité du foie dans la libération de glucose en cas d hypoglycémie. La troisième semaine est alors consacrée à l étude du pancréas et des hormones pancréatiques grâce aux activités 4 et 5. L activité 4 permet de montrer la fonction endocrine du pancréas et l existence de deux hormones aux effets antagonistes. L activité 5 permet de mettre en évidence le rôle de capteur du pancréas et précise l action de chacune des deux hormones pancréatiques. À l issue de cette séance, les élèves sont donc en mesure de construire la boucle de régulation hormonale de la glycémie. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 7 2

108 Activité 1 La glycémie, un paramètre régulé (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports L objectif de cette double page est de faire réfléchir les élèves sur l existence de mécanismes de régulation de la glycémie. Le document 1 s appuie sur les acquis de 2 de concernant les besoins accrus des cellules en nutriments, notamment en glucose, lorsqu elles augmentent leurs activités. Le document 2 montre quant à lui que la glycémie oscille autour d une valeur moyenne de 1 g.l -1. La mise en parallèle des données fournies dans ces deux documents suggère donc l existence d un système de régulation pour la glycémie. Le document 3 illustre que la stabilité de la glycémie est une condition de bonne santé, aspect qui sera davantage développé dans le chapitre suivant. 2. Tâche complexe : production élèves attendue Le document 1a montre que le niveau de consommation de glucose par le cerveau dépend directement du niveau de son activité. Elle est élevée chez un individu en bonne santé (6 mg/100 g de tissu cérébral), faible chez l individu en état végétatif dont les activités cérébrales sont réduites (< 4 mg/100 g de tissu cérébral) et nulle en cas de mort cérébrale. De façon similaire, dans les muscles, la consommation de glucose augmente avec l intensité des efforts fournis, c est-à-dire selon l activité des myocytes. Donc l augmentation de l activité de nos cellules conduit à une consommation accrue de glucose prélevé dans le sang et donc une baisse de la glycémie. Cette interprétation est confirmée au niveau du document 2a où on constate que le sport est associé à une baisse légère de la glycémie (-0,2 g.l -1 ). En revanche les prises alimentaires provoquent une hausse modérée de la glycémie (+0,2 à + 0,3 g.l -1 ). Ainsi, les mesures de glycémie montrent que celle-ci oscille autour d une valeur de 1 g.l -1. De plus, lors du test d hyperglycémie provoquée, la prise de 100 g de glucose, qui se retrouvent dans les 15 L du milieu intérieur, devrait conduire à une glycémie de l ordre de 6,7 g.l -1 or elle n augmente qu à 1,3 g.l -1 pour retrouver la valeur consigne en 1 à 2 heures seulement. Il existe donc des mécanismes dans l organisme pour que le glucose en excès soit donc stocké et/ou transformé. Enfin le document 3 nous apprend que de trop grandes variations de la glycémie par rapport à cette valeur de 1 g.l -1 (hyperglycémie ou hypoglycémie) conduisent à des pathologies graves. La valeur de 1 g.l -1 est donc une valeur de consigne : elle correspond à la valeur à atteindre pour un certain nombre de mécanismes intervenant dans le contrôle de la glycémie dans l organisme. Le maintien par l organisme de la glycémie dans une gamme étroite autour de cette valeur consigne est une condition de bonne santé. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 7 3

109 Aide à la résolution de la tâche complexe (Document 1) Reliez la consommation de glucose du cerveau et des muscles squelettiques à leur niveau d activité. Qu en déduisez-vous quant à la conséquence sur la glycémie? (Document 2a) Analysez l évolution de la glycémie au cours d une journée. Relevez les actions à l origine des variations de la glycémie. (Document 2b) Analysez l évolution de la glycémie suite à un test d hyperglycémie provoquée. Calculez l augmentation théorique de la glycémie si tout le glucose ingéré reste intégralement dans le milieu intérieur. Qu en déduisez-vous en comparant cette valeur à celle mesurée? (Document 3) Relevez les conséquences des variations trop importante de la glycémie sur la santé. Qu en déduisez-vous quant à l importance d une régulation de ce paramètre physiologique. Activité 2 Les réponses à une hyperglycémie (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports L objectif de cette double page est de comprendre comment l organisme réagit suite à une prise alimentaire pour limiter la hausse de la glycémie. Le document 1 permet simplement de révéler l existence d organes de stockage du glucose dans l organisme. Le document 2, à travers une approche expérimentale permet une quantification de ce stockage. Le document 3 permet quant à lui de souligner l importance du foie, de part sa position anatomique, dans la régulation de la glycémie. 2. Pistes d exploitation : productions élèves attendues 1. Dans le document 1a, l utilisation de glucose marqué radioactivement montre qu après son absorption au niveau des intestins, seul 5 % se retrouve dans le milieu intérieur (sang et lymphe). Le reste se retrouve donc stocké dans le foie (55 %), les muscles (18 %) et le tissu adipeux (11 %). Dans les tissus adipeux, le glucose est converti en triglycérides. En revanche, d après les documents 1b et 2, le glucose est stocké dans le foie et les muscles sous forme d un polymère, le glycogène. 2. D après les résultats du document 2, le foie renferme ici 32 mg de glycogène par g de tissu contre seulement 1,9 mg par g de tissu dans les muscles. Sachant que chez un homme moyen le foie pèse 1,5 kg et la masse musculaire 30 kg, on en déduit que le foie peut contenir au total près de 50 g (peut-être plus) de glycogène et les muscles près de 60 g. Malgré son faible poids, comparé aux muscles, le foie participe pour une grande partie au stockage du glucose sous forme de glycogène. Ces résultats confirment donc ceux du document 1a quant à l importance du foie dans le stockage du glucose. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 7 4

110 Le document 3b nous apprend que le foie reçoit via la veine cave le sang en provenance des intestins. D après le document 3a, la glycémie dans la veine porte hépatique est élevée après un repas mais faible lors d un jeûne. En revanche, la glycémie de la veine sus-hépatique qui quitte le foie reste relativement proche de la valeur consigne de 1 g.l -1. Ainsi, la position anatomique du foie lui permet de stocker rapidement l excès de glucose absorbé au niveau des intestins suite à un repas. 3. Pour aller plus loin Les études ont permis de montrer que le foie peut contenir entre 15 à 80 g de glycogène par kg de tissu frais. Ces valeurs dépendent de l état nutritionnel de l individu, de l âge, du sexe et de la quantité d activité physique pratiquée. Quant aux muscles, ils peuvent contenir de 1 à 25 g de glycogène par kg de tissu frais. Aide à la réalisation expérimentale La quantité d eau iodée utilisée doit être ajustée de façon à ne pas avoir des valeurs d absorbance trop élevées pour les échantillons les plus concentrés. Pour une meilleure précision des mesures, il est fortement conseillé de ne pas dépasser une valeur d absorbance de 2. Il est important que les valeurs mesurées sur les échantillons soient incluses dans celles de la gamme étalon. Or, la concentration en glycogène étant beaucoup plus élevée dans le foie que dans les muscles, il faut envisager une dilution de la préparation obtenue à partir du foie ou à partir d une masse de tissu différente. Il faudra cependant ne pas oublier de tenir compte de ces écarts lors des calculs finaux de la concentration en glycogène. Si la préparation obtenue à la fin ne semble pas satisfaisante (solution trouble, etc.), il est possible de renouveler l étape de précipitation afin d obtenir un extrait plus pur. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 7 5

111 Activité 3 Les réponses à une hypoglycémie (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports À l image de l activité 2, cette double page vise à faire découvrir aux élèves comment l organisme réagit, cette fois en dehors des prises alimentaires, pour maintenir une glycémie constante malgré la consommation continue des cellules mises en évidence dans l activité 1. Le document 1 permet de visualiser simplement la consommation des réserves de glucose dans les organes de stockages identifiés dans l activité précédente. Le document 2 propose, à travers la réalisation d une variante de l expérience du foie lavé de Claude Bernard, de faire découvrir aux élèves la spécificité du foie en tant qu organe effecteur de la glycémie. Il s agit ici d opposer foie et muscles afin de montrer que seul le foie permet de libérer du glucose. Le dernier document permet d expliquer cette spécificité du foie tout en mobilisant des notions acquises au cours du chapitre 6 sur l enzymologie. 2. Pistes d exploitation : productions élèves attendues 1. Les muscles et le foie sont les deux seuls organes à stocker du glucose sous forme de glycogène. Les documents 1a et 1b montrent qu en période de jeûne, les réserves de glycogène contenues dans ces organes sont utilisées. De plus, l ablation du foie chez un animal (document 1c) conduit à une baisse immédiate de la glycémie qui est divisée par deux en 1 h 15. La mise en relation des documents 1b et 1c permet de montrer que les réserves de glycogène du foie sont utilisées pour libérer du glucose dans le sang et ainsi maintenir une glycémie constante en période de jeûne. L expérience du «foie lavé» (document 2) montre que juste après lavage le foie ne contient pas de glucose. Mais 20 min plus tard, du glucose est présent dans le milieu extérieur. Le foie contenant du glycogène (document 1b), il est donc capable de le dégrader en glucose et de libérer ce glucose. En revanche, cette même expérience réalisée sur du muscle ne conduit jamais à une libération de glucose. Donc, seul le foie est capable de libérer du glucose dans le sang. Ce glucose pourra alors être prélevé par les autres organes et tissus de l organisme. C est pourquoi on parle de «réserve publique» de glucose pour le foie, alors que celles des muscles sont dites «privées» car utilisés par les myocytes eux-mêmes. 2. La dernière étape de formation du glucose à partir du glycogène nécessite l intervention d une enzyme, la glucose-6-phosphatase. En son absence, il n y a formation que de glucose-6-phosphate qui ne peut traverser les membranes plasmiques et donc aller dans le sang. D après le document 3b, cette enzyme est fortement exprimée dans le foie. En dehors de cet organe, seuls les reins, l intestin et le colon l expriment mais ce ne sont pas des organes spécialisés dans le stockage du glucose sous NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 7 6

112 forme de glycogène. L absence de glucose-6-phosphatase dans les muscles, explique donc que seul le foie puisse contribuer à la libération de glucose dans le sang en cas d hypoglycémie. Aide à la réalisation expérimentale Le temps nécessaire à la formation de glucose dans l expérience du foie lavé est assez variable. Il dépend de l état de fraîcheur du foie ainsi que de la taille des morceaux découpés. Plus le foie est frais et plus les morceaux sont petits, plus la libération de glucose est rapide. Elle peut se faire en 5 min. Activité 4 Pancréas et régulation de la glycémie (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports Les deux activités précédentes ont permis d identifier les effecteurs de la régulation de la glycémie et de préciser leurs rôles respectifs. Il s agit désormais de s intéresser à l organe qui coordonne leur fonctionnement : le pancréas. Une attention particulière a été apportée au volet historique des expérimentations pour mettre en évidence le rôle du pancréas et des hormones pancréatiques dans la régulation de la glycémie. 2. Tâche complexe : production élèves attendue L observation de coupes de pancréas (document 1) met en évidence une double structure : des cellules acineuses responsables de la sécrétion d enzymes digestives et des îlots de Langerhans. L ablation du pancréas provoque une augmentation de la glycémie de 1 à 3 g.l -1. Le pancréas intervient donc dans la régulation de la glycémie. La greffe ectopique de pancréas, au cours de laquelle la circulation sanguine est rétablie mais pas les connexions nerveuses, permet de retrouver une glycémie normale de 1 g.l -1, qui remonte dès la suppression du greffon. Cette expérience montre que le pancréas contrôle la glycémie à distance grâce à des molécules sécrétées dans le sang, c est-à-dire par voie hormonale. L expérience d injection d extraits bruts contenant les substances synthétisées par les îlots de Langerhans permet de restaurer une glycémie normale. Cela confirme la fonction endocrine du pancréas et permet de préciser que cette fonction est remplie par les cellules des îlots de Langerhans. La purification de ces substances (document 3) a permis de séparer deux hormones ayant des solubilités différentes dans l alcool. La première hormone, dans la fraction A, provoque une hausse de la glycémie chez le chien pancréatectomisé. Il s agit du glucagon sécrété par les cellules en périphérie des îlots de Langerhans. La deuxième hormone, dans la fraction B, provoque une hausse de la glycémie chez le chien pancréatectomisé. Il s agit de l insuline sécrétée par les cellules au centre des îlots de Langerhans. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 7 7

113 Ainsi, les deux hormones sécrétées par le pancréas ont des effets antagonistes : l insuline est hypoglycémiante et le glucagon hyperglycémiant. Aide à la résolution de la tâche complexe (Document 1) Identifiez les deux types de cellules pancréatiques. (Document 2) Analysez les conséquences des expériences d ablation et de greffe de pancréas. Sachant qu au cours d une greffe, la circulation sanguine est rétablie mais pas les connexions nerveuses, qu en déduisez-vous concernant le mode d action du pancréas sur la glycémie? (Document 2) Précisez ce que contiennent les extraits pancréatiques injectés à l animal pancréatectomisé. Qu en déduisez-vous sur les substances contenues dans ces extraits? (Document 3) Expliquez l action des deux fractions obtenues dans les extraits pancréatiques. Mettez ces résultats en relation avec l expérience d immunofluorescence sur les îlots de Langerhans. Concluez sur la nature et le rôle des substances sécrétées par le pancréas. Activité 5 Les hormones pancréatiques (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports L activité précédente permet de démontrer que le pancréas a une fonction endocrine et qu il sécrète deux hormones aux actions bien distinctes : l insuline hypoglycémiante et le glucagon hyperglycémiant. L objectif de cette dernière double page est de préciser les modalités de sécrétions de ces hormones et d identifier leur action sur les différents organes effecteurs de la glycémie. Le document 1 permet ainsi de mettre en évidence le rôle du pancréas en tant que capteur des variations de la glycémie. Les documents suivants, basés sur des résultats expérimentaux, permettent d opposer les actions de l insuline et du glucagon. 2. Pistes d exploitation : productions élèves attendues 1. La perfusion d un pancréas isolé (document 1) avec des solutions contenant des concentrations croissantes en glucose montre que plus la concentration en glucose est élevée plus la sécrétion d insuline augmente et plus celle de glucagon diminue. L insuline étant hypoglycémiante et le glucagon hyperglycémiant, le pancréas est donc le capteur des variations de la glycémie. Une fois ces variations captées, il module les sécrétions d insuline et de glucagon pour rétablir une glycémie normale. D après le document 2, l insuline se fixe sur l ensemble des organes effecteurs de la glycémie (foie, muscles, tissus adipeux) mais le glucagon ne se fixe que sur le foie. Les NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 7 8

114 expériences présentées dans le document 3, montre que l insuline provoque une augmentation du stockage du glucose sous forme de glycogène dans les muscles. Ce stockage s explique par une augmentation de l activité de la glycogène synthase dans les myocytes en réponse à la fixation de l insuline sur ces cellules. De même, la fixation d insuline sur les hépatocytes (document 4a) s accompagne d une augmentation (jusqu à un facteur 4) du stockage du glucose sous forme de glycogène. En revanche, la fixation de glucagon est associée à une baisse de ce stockage. De plus, le document 4b montre que l augmentation de la concentration en glucagon favorise la libération de glucose par les hépatocytes. Ainsi, une hausse de la glycémie est détectée par les îlots de Langerhans qui en réponse augmentent la sécrétion d insuline et diminuent celle de glucagon. Ces modifications au niveau des concentrations sanguines de ces deux hormones pancréatiques provoquent différentes réponses sur leurs organes cibles : l augmentation de l insulinémie conduit à un stockage accru du glucose dans les organes effecteurs, tandis que la baisse de la gluconémie s accompagne d un arrêt de libération de glucose par le foie. Au contraire, une baisse de la glycémie, détectée par les îlots de Langerhans, provoque une baisse de la sécrétion d insuline et une augmentation de celle de glucagon. Cela conduit à une diminution du stockage du glucose dans les organes effecteurs, et une augmentation de la libération du glucose par le foie. Toutes ces modifications du métabolisme des organes effecteurs passent par une modulation de l activité de certaines enzymes associées au métabolisme du glucose. 2. Le schéma correspond au schéma bilan présenté à la p NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 7 9

115 Correction de l exercice de type bac L hyperglycémie de stress Montrez que ces variations ne correspondent pas à une glycémie «normale» mais qu elles révèlent un mécanisme agissant sur la glycémie. À l aide de vos connaissances et des documents, vous discuterez son rôle en tant que mécanisme de régulation de la glycémie en le comparant à celui des hormones pancréatiques. On s intéresse ici aux variations de glycémie présentées par des chiens utilisés dans des expériences visant justement à étudier ce paramètre physiologique. Il s agit dans un premier temps de montrer que les variations de la glycémie observées sur ces chiens, en l absence de manipulation autre que le prélèvement du sang pour les mesures, ne correspondent pas à des variations physiologiques normales. Une fois le mécanisme à l origine de ces variations identifié il s agira de le comparer avec le mécanisme de régulation hormonal faisant intervenir insuline et glucagon étudié en cours. L objectif étant ici de déterminer s il s agit d un autre système de régulation, c est-à-dire d un système qui permet de maintenir la glycémie stable autour d une valeur consigne. Un corrigé est proposé ci-dessous. D après le document 1, la glycémie mesurée sur des échantillons prélevés sans anesthésie est environ deux fois plus faible que sur des échantillons prélevés après anesthésie à l éther, qui est un acte stressant pour les chiens (0,4 à 0,5 contre 0,8 à 0,9 g. L -1 ). Donc, le mode de prélèvement du sang influence la glycémie. Dans le document 2, on constate que le déclenchement d un stress artificiel chez le chien provoque un doublement de la sécrétion d adrénaline, l hormone du stress et une augmentation de 60 % de la sécrétion de glucagon, une hormone hyperglycémiante. En revanche, la sécrétion d insuline reste relativement stable autour de 210 pmol.l -1. L'augmentation de la gluconémie en situation de stress explique donc la glycémie élevée des chiens suite aux anesthésies. Dans le document 3, l injection simultanée de carbachol pour induire un stress artificiel et d un bêta-bloquant, analogue structural de l adrénaline, annule l augmentation de sécrétion de glucagon. Donc l adrénaline agit donc sur les cellules alpha du pancréas en stimulant la sécrétion de glucagon. Enfin d après le document 4, on constate que l augmentation de la concentration d adrénaline dans une culture d hépatocytes provoque une augmentation par quatre de l hydrolyse du glycogène contenu dans ces cellules en glucose. Donc l adrénaline agit aussi sur les hépatocytes en provoquant une hydrolyse du glycogène. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 7 10

116 En conclusion, on peut donc affirmer que les variations de glycémie observées chez les chiens ne sont donc pas normales mais induites par un stress. Le stress provoque une sécrétion d adrénaline qui agit sur deux organes cibles : le pancréas en stimulant la sécrétion de glucagon et le foie en stimulant la dégradation du glycogène. De plus, le glucagon sécrété agira également sur le foie pour favoriser la libération du glucose à partir du glycogène. Les effets sont synergiques. Cependant, l effet hyperglycémiant induit n est pas déclenché suite à une baisse de la glycémie. Or dans le système de régulation de la glycémie faisant intervenir l insuline et le glucagon, c est une variation du paramètre réglé qui déclenche une réponse pour corriger sa valeur. Donc il ne s agit pas ici d un système de régulation, mais plutôt d un mécanisme d adaptation pour anticiper la production d un effort intense dans une situation de danger. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 7 11

117 Chapitre 8 Les anomalies de la régulation de la glycémie Objectifs généraux Le maintien d'une glycémie autour d'une valeur consigne proche de 1 g.l -1 est une condition nécessaire pour être en bonne santé. L'objectif de ce chapitre est de souligner l'importance de la stabilité du milieu intérieur pour notre organisme à travers l'étude des deux anomalies majeures de la régulation de la glycémie : les diabètes de type 1 et de type 2. Le diabète touche plus de 350 millions de personnes dans le monde et représente donc une des principales préoccupations de santé publique. La connaissance des mécanismes physiologiques hormonaux de la régulation de la glycémie étudiés dans le chapitre précédent permet de comprendre à la fois l'origine des différentes formes de diabètes et les moyens pour les combattre. Ce chapitre est ainsi l'occasion de souligner que certaines pathologies, comme les diabètes, sont complexes et résultent d'une combinaison de facteurs qui peuvent être très divers. L'identification de ces facteurs est une étape indispensable pour la mise en place de politiques de prévention et la mise au point de traitements efficaces. Les instructions officielles prises en compte Le diabète de type 1 résulte de la perturbation de la régulation de la glycémie provoquée par l'arrêt ou l'insuffisance d'une production pancréatique d'insuline. L'absence ou l'insuffisance de l'insuline est due à une destruction auto-immune des cellules β des îlots de Langerhans. Le diabète de type 2 s'explique par la perturbation de l'action de l'insuline. Le déclenchement des diabètes est lié à des facteurs variés, génétiques et environnementaux. Limites : les mécanismes de la réaction auto-immune sont exclus. La référence au surpoids, envisagée sous l'angle du lien avec le diabète de type 2, n'entraîne aucune étude exigible du tissu adipeux ou du métabolisme lipidique. Progression retenue dans le chapitre L'activité 1 permet, à travers une étude comparative de deux cas, d'identifier et de caractériser les deux principales formes de diabète. Une fois ces bases posées les activités suivantes ont pour but de préciser l'origine et les facteurs de risque associés à chacune de ces deux formes de diabète. Les activités 2 et 3 permettent ainsi de préciser l'origine auto-immune du diabète de type 1. Même si les mécanismes de la réaction auto-immune sont NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 8 1

118 exclus, certaines notions d'immunité semblent utiles pour mieux comprendre cette maladie complexe. Il peut donc être intéressant d'envisager l'étude de cette forme de diabète en concertation avec la progression adoptée par les enseignants de la partie obligatoire. Les activités 3 et 4 soulignent quand à elles l'aspect multifactoriel du diabète de type 2 qui fait écho aux programmes de SVT de 2 de et de 1 re S. Proposition de programmation hebdomadaire A priori, la réalisation de ce chapitre est envisageable en 3 semaines. La première séance peut être consacrée à la caractérisation des deux formes de diabète (activité 1). Cette première activité ne nécessitant pas 2 h pleines, le temps restant peut être réservé à la réalisation d'une évaluation portant sur les chapitres précédents. La deuxième séance peut alors être pleinement consacrée à l'étude du diabète de type 1, et la troisième séance à celle du diabète de type 2. Activité 1 Unité et diversité des diabètes (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports L'objectif de cette double page est de permettre aux élèves d'identifier les deux principales formes de diabète. Le document 1 permet de caractériser les anomalies de la régulation de la glycémie telles que définies par l'oms. Le document 2 a pour objectif d'illustrer les conséquences de l'hyperglycémie chronique associée au diabète. La mise en parallèle de ces deux documents avec les données de l'étude comparative de deux cas de diabètes dans le document 3, permet de mettre en évidence l'existence des deux formes de diabète. 2. Tâche complexe : production élèves attendue Aide à la résolution de la tâche complexe : 1. (Documents 1 et 2) Relevez les informations qui permettent de poser un diagnostic de diabète. 2. (Document 3) Comparez l'ensemble des informations disponibles sur les deux patients et confrontez-les avec les critères de diagnostic du diabète identifiés dans les documents 1 et 2. Soulignez alors les différences entre les deux patients qui suggèrent l'existence de deux types de diabètes. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 8 2

119 D'après les données du document 1, un individu est considéré comme diabétique si sa glycémie est supérieure à 2 g.l -1 deux heures après l'ingestion de 75 g de glucose. Or, d'après le document 3, la glycémie des individus A et B, 2 h après l'ingestion de 75 g de glucose, est respectivement de 3,2 et 4,3 g.l -1. De plus ces deux individus présentent différents symptômes associés au diabète : perte de poids pour l'individu A et une rétinopathie pour l'individu B. Ils sont donc tous les deux diabétiques. L'individu A est un jeune garçon et présente une corpulence moyenne au contraire de l'individu B qui est un adulte de plus de 50 ans obèse (IMC = 98/1,75² = 32). Il n'y a pas d antécédents familiaux connus dans la famille de l'individu A contrairement à l'individu B. Enfin, suite au test d'hyperglycémie provoquée, la glycémie des deux individus augmente fortement et reste élevée même 3 h après l'ingestion du glucose. Cependant, on note une sécrétion d'insuline chez l'individu B sensiblement du même niveau qu'un individu témoin, même si elle est décalée dans le temps. Chez l'individu A, il n'y a pas de sécrétion d'insuline. L'ensemble de ces différences au niveau des individus A et B, et en particulier celle concernant l'insulinémie suggère donc l'existence de deux formes de diabètes. Activité 2 Origine du diabète de type 1 (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports L'objectif de cette double page est de découvrir les bases physiologiques de l'absence de sécrétion d'insuline chez les diabétiques de type 1. Le document 1 propose à partir d'observations de coupes de pancréas suivies de mesures quantitatives, de mettre en évidence une disparition des cellules bêta du pancréas responsables de la sécrétion d'insuline. Le document 2 illustre quant à lui l'origine de la destruction de ces cellules. 2. Tâche complexe : production élèves attendue Aide à la résolution de la tâche complexe : 1. (Document 1 ) Comparez l'aspect du pancréas d'une personne saine et d'une personne atteinte de diabète de type 1. Identifiez les structures modifiées. Précisez le type cellulaire principalement concerné. 2. (Document 2) Mettez en relation les observations sur l'évolution des îlots de Langerhans avec vos connaissances sur le système immunitaire. Analysez de même l'évolution de la concentration en auto-anticorps chez les personnes qui développent un diabète de type 1. Mettez en relation ces observations avec les données du document 1 pour en déduire l'origine de ce type de diabète. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 8 3

120 Le document 1 montre que chez les individus atteints de diabète de type 1, les îlots de Langerhans sont déstructurés. Ainsi la masse totale des îlots est divisée par 3, et c'est en particulier les cellules bêta sécrétrices d'insuline qui disparaissent. L'observation au microscope optique de coupes de pancréas de souris diabétiques montre un envahissement progressif des îlots par des lymphocytes entre 5 et 30 semaines de vie. Vers cinquante semaines, le diabète est déclaré et les îlots sont très déstructurés. Chez un enfant qui a développé un diabète de type 1 à l'âge de 5 ans, le dosage d'anticorps depuis la naissance, montre dès 1 an une augmentation importante d'anticorps anti-gad, anti-tyrosine phosphatase et anti-insuline, trois molécules présentes dans les îlots de Langerhans. Ainsi, la présence de cellules immunitaires et d'anticorps autoréactifs au niveau des îlots de Langerhans permet d'expliquer leurs destructions et donc l'arrêt de la sécrétion d'insuline chez les personnes atteintes d'un diabète de type 1. Il s'agit donc bien d'une maladie auto-immune. À partir du moment de l'apparition des cellules et des anticorps autoréactifs, la destruction des îlots prend quelques années (quelques semaines chez la souris), et ce n'est qu'une fois cette destruction complète ou presque que le diabète se déclare brutalement. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 8 4

121 Activité 3 Facteurs de risque du diabète de type 1 (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports L'objectif de cette double page est de montrer que le déclenchement des réactions auto-immunes dans le cadre du diabète de type 1 est lié à des facteurs à la fois génétique et environnementaux. Ainsi, le document 1 présente la probabilité de développer un diabète de type 1 en fonction des antécédents familiaux, ce qui permet de mettre en évidence une influence du patrimoine génétique. Le document 2 permet de montrer, à travers des études expérimentales et des données épidémiologiques, une association entre des infections virales et le développement du diabète de type Tâche complexe : production élèves attendue Aide à la résolution de la tâche complexe : 1. (Document 1) Reliez le risque de développer un diabète de type 1 au patrimoine génétique possédé par chaque individu. Qu'en déduisez-vous de l'influence du patrimoine génétique dans cette maladie? Ce déterminisme semblet-il absolu ou non? 2. (Document 2) Analysez l'évolution de la glycémie moyenne d'une population de souris infectées par des entérovirus. Sachant que toutes les souris ont le même programme génétique, quelle information apporte les résultats individuels pour chaque souris? 3. (Document 2) Montrez en quoi les résultats épidémiologiques concernant le développement d'un diabète de type 1 et les infections par un entérovirus chez l'homme confirment les résultats précédents. En quoi l'ensemble de ces données montrent que l'origine de ce type de diabète est complexe. D'après le document 1, dans la population générale, le risque de développer un diabète de type 1 est de 0,4 %. Ce taux est multiplié par 10 lorsqu'on possède un parent atteint de cette forme de diabète. Ce taux augmente encore si le parent possède l'allèle DR3 ou DR4 du système HLA II. Il existe donc une composante héréditaire, c est-à-dire génétique à ce diabète. Cependant, chez les jumeaux homozygotes qui possèdent le même patrimoine génétique, si un des jumeaux est atteint, le risque de développer la maladie pour l'autre jumeau est de 50 % et non 100 %. D'autres facteurs interviennent donc dans le déclenchement de la maladie. Dans le document 2, on constate que des souris infectées par des entérovirus présentent en moyenne une glycémie bien plus élevée que des souris non infectées. Cet écart est maximal 10 jours après l'infection (3 g.l -1 contre 1,8 g.l - 1 ), puis il diminue progressivement. Cependant lorsqu'on s intéresse à l'évolution de la glycémie chez des souris individuellement, on se rend compte que suite à l'infection par des entérovirus la glycémie augmente pour les 5 NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 8 5

122 souris puis rediminue pour retrouver vers 50 jours des valeurs proches des témoins pour 4 d'entre elles. En revanche pour une des souris la glycémie reste constamment élevée au cours du temps. Elle semble donc développer une hyperglycémie chronique caractéristique du diabète. Or, toutes ces souris possèdent le même patrimoine génétique. Donc, une infection par un entérovirus semble favoriser le développement du diabète de type 1, mais d'autres facteurs interviennent aussi. Enfin, les études épidémiologiques montrent que chez les personnes atteintes de diabète de type 1, récemment ou depuis un certain temps, présente une forte probabilité d'avoir été auparavant infectée par un entérovirus comparativement à des individus témoins. En effet, le risque relatif d'avoir contracté une infection par un entérovirus chez un diabétique de type 1 est de 10 à 12. Ce risque est déjà de 4 chez des individus prédiabétiques. Ainsi, le développement d'un diabète de type 1 semble dépendre du patrimoine génétique des individus mais également de facteurs environnementaux comme l'exposition à certains virus. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 8 6

123 Activité 4 Déclenchement lent du diabète de type 2. (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports L'objectif de cette double page est d'expliquer le développement lent du diabète de type 2 et d'expliquer pourquoi malgré la persistance des sécrétions d'insuline son action hypoglycémiante est réduite. Le document 1, permet ainsi d'illustrer que cette forme de diabète se révèle en général après quarante ans. Les données cliniques présentées dans le document 2 mettent en évidence un phénomène clef dans le développement du diabète de type 2, la résistance des cellules cibles à l'insuline. Ce document illustre également que cette résistance survient avant l'apparition du diabète. Le document 3a permet de comprendre pourquoi le développement de la résistance à l'insuline ne provoque pas immédiatement un diabète. En effet, l'insulinorésistance est compensée pendant un certain temps par une augmentation de l'insulinémie. Enfin, le document 3b permet d'expliquer l'origine de l'arrêt de ce phénomène de compensation en montrant l'envahissement des îlots de Langerhans par des dépôts amyloïdes qui perturbent leur fonctionnement. 2. Tâche complexe : production élèves attendue Aide à la résolution de la tâche complexe : 1. (Document 1) Précisez en quoi l'analyse de la prévalence du diabète en fonction de l'âge suggère que cette maladie se développe lentement. 2. (Document 2) Identifiez clairement le(s) paramètre(s) géré(s) par l'expérimentateur et celui/ceux simplement mesuré(s) chez le sujet au cours de l'expérience du clamp euglycémique hyperinsulinique. Précisez la relation entre l'insulinémie et la glycémie chez un individu. Comparez alors les résultats chez les différents sujets. En quoi ces résultats montrent-ils que l'une des premières étapes du développement du diabète de type 2 est une baisse de l'efficacité de l'action de l'insuline sur ses cellules cibles. 3. (Document 3a) De la même façon que précédemment, comparez la glycémie et l'insulinémie des trois sujets. Connaissant la relation entre ces deux paramètres physiologiques, expliquez en quoi ces résultats montrent que l'apparition du diabète de type 2 est associée à une baisse de l'insulinémie. 4. (Document 3b) Montrez en quoi la comparaison des îlots de Langerhans des trois individus explique la baisse de l'insulinémie associée au déclenchement du diabète de type 2. Les résultats de clamp euglycémique hyperinsulinique dans le document 2 montrent que pour une injection égale d'insuline, il est nécessaire d'injecter presque deux fois plus de glucose chez les individus témoins que chez les individus intolérants au glucose ou diabétique afin de maintenir une glycémie NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 8 7

124 constante. Donc, l'insuline qui est une hormone hypoglycémiante a des effets deux fois plus importants chez les individus témoins. De plus, lorsqu'on compare plus en détail le devenir du glucose perfusé, on constate que c'est principalement la quantité de glucose stocké par les cellules qui diminue chez les individus intolérants au glucose et chez les diabétiques. Le diabète de type 2 est donc caractérisé par une baisse de la sensibilité des cellules cibles à l'insuline qui stockent moins de glucose en réponse à la présence d'insuline. C'est l'insulinorésistance. Les tests d'hyperglycémie provoquée présentés dans le document 3 révèlent que chez un individu intolérant au glucose la glycémie est similaire au témoin au cours de la première heure suivant l'ingestion du glucose. Mais elle ne diminue pas aussi rapidement et reste à une valeur de 1,5 g.l -1 2 h après. La glycémie de l'individu diabétique est en revanche nettement plus élevée tout au long du test. Les mesures d'insulinémie révèlent que le niveau de sécrétion d'insuline augmente beaucoup plus lentement chez l'individu diabétique que chez le témoin : le maximum est atteint après 2 h, alors que chez le témoin le pic est atteint entre 30 et 60 min après l'ingestion du glucose. Chez l'individu intolérant au glucose, les sécrétions d'insuline sont nettement plus importantes : il y a hyperinsulinémie. Enfin l'observation des coupes de pancréas montre un envahissement des îlots de Langerhans de l'individu intolérant au glucose par des dépôts amyloïdes et une diminution du nombre de cellules bêta sécrétrices d'insuline. Cet envahissement des dépôts amyloïdes et la diminution des cellules bêta sont encore plus marqués chez l'individu diabétique. Sachant que l'intolérance au glucose précède la survenue d'un diabète de type 2, la mise en relation des documents 2 et 3 permet d'établir le scénario suivant : le développement d'un diabète de type 2 débute par une phase d'intolérance au glucose marquée par une baisse de la sensibilité des cellules cibles de l'insuline à cette hormone ; c'est l'insulinorésistance. Ce phénomène est compensé chez les individus intolérants au glucose par une augmentation de la sécrétion d'insuline ; c'est l'hyperinsulinémie. Au bout d'une période pouvant s'étaler sur plusieurs années, la sécrétion d'insuline diminue et le phénomène de compensation s'arrête. Le diabète se déclare. L'arrêt de cette compensation entre insulinorésistance et hyperinsulinémie s'explique par un envahissement des îlots de Langerhans par des dépôts amyloïdes qui entravent leur fonctionnement. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 8 8

125 Activité 5 Facteurs de risque du diabète de type 2 (p ) 1. La démarche des auteurs et le choix motivé des supports Cette dernière double page permet aux élèves de redécouvrir la complexité des phénomènes qui peuvent conduire à l'apparition d'une pathologie comme ici le diabète de type 2. Ce type d'étude a déjà été réalisé en classe de 1 re S dans le cadre du thème 3B «Variations génétiques et santé». Un certain nombre d'élèves se seront d'ailleurs déjà intéressés au cas du diabète de type 2 en tant que maladie multifactorielle. Mais contrairement à la classe de 1 re S, les élèves ont désormais les connaissances sur les mécanismes en jeu lors du développement de cette forme de diabète. Ainsi, dans le document 1, nous proposons aux élèves une étude d'un cas familial sévère de diabète de type 2. La comparaison des membres de la famille du point de vue génétique et phénotypique permet de mettre en évidence un facteur génétique dans le développement de la maladie mais qui ne peut à lui seul expliquer les différences observées. Le document 2 permet, à l aide de données épidémiologiques, de faire le lien entre facteurs de l'environnement, et plus particulièrement l'obésité, le niveau d'activité physique et le risque de développer un diabète de type Tâche complexe : production élèves attendue Aide à la résolution de la tâche complexe : 1. (Document 1) Comparez les phénotypes des différents membres de la famille (sévérité du dabète, insulinémie, insulino-résistance). Mettez en relation ces informations avec leur génotype. En quoi ces résultats montrent-ils que le génotype intervient dans le développement de ce type de diabète? Le déterminisme génétique est-il absolu dans le cas du diabète de type 2? 2. (Document 2) En vous appuyant sur des exemples précis, mettez en relation la prévalence du diabète de type 2 avec la prévalence de l'obésité et le manque d'activité physique dans différents pays. Analysez l'évolution de la glycémie de patients diabétiques suite à une augmentation de leur activité physique. Précisez en quoi ces résultats montrent une corrélation forte entre alimentation, mode de vie et déclenchement du diabète de type 2. L'étude d'un cas familial de diabète de type 2 révèle que tous les membres de la famille présentent une insulinorésistance mais à des niveaux variables. Les individus 2, 3 et 5 ont un diabète modéré et présente une compensation entre les niveaux d'hyperinsulinémie et d'insulinorésistance contrairement à l'individu 4 qui a un diabète sévère et une hyperinsulinémie qui ne permet pas de compenser son insulinorésistance élevée. L'analyse des séquences des allèles du gène codant le récepteur à l'insuline dans cette famille révèle la présence de deux formes mutées. Ainsi, l'individu 1 non diabétique possède un allèle normal et un allèle muté avec un A à la place d'un G en position Les individus 2 et 5 possèdent un allèle normal et un allèle muté avec un T à la NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 8 9

126 place d'un C en position Les individus 3 et 4 portent les deux formes mutées du gène, mais seul l'individu 4 présente un diabète sévère. Ainsi, le diabète de type 2 dépend de facteur génétique mais qui à eux seuls ne permettent pas d'expliquer toutes les différences phénotypiques entre les individus. Les données épidémiologiques présentées dans le document 2a montrent que les pays possédant les prévalences les plus élevées pour le diabète sont, pour la plupart, également les pays présentant les prévalences les plus élevées pour l'obésité et/ou l'insuffisance d'activité physique (exemple : pays de la péninsule arabique). Enfin, les résultats de l'étude clinique présentée dans le document 2b montrent que plus les patients augmentent leur niveau d'activité physique, plus leur IMC diminue ainsi que leur glycémie. L'obésité étant associée au diabète d'après le document précédent, cette étude montre que la pratique d'activités physiques permet de protéger contre la survenue d'un diabète de type 2. Ainsi, le diabète de type 2 est une maladie complexe qui dépend à la fois de facteurs génétiques et environnementaux. C'est donc bien une maladie multifactorielle. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 8 10

127 Correction des exercices BAC Traitement du diabète de type 1 par transplantation de pancréas La question comporte deux volets. Il s'agit ainsi dans un premier temps d'expliquer le choix de procéder à une transplantation pour soigner un cas de diabète de type 1. Cette réponse fait appel aux connaissances sur l'origine de cette forme de diabète. Dans un deuxième temps, il faut identifier à l'aide des documents les phénomènes ayant provoqué la réapparition de ce diabète au bout de 5 ans. Une suggestion de correction est proposée ci-dessous. Le diabète de type 1 est provoqué par une destruction des cellules bêta du pancréas sécrétrices d'insuline. Greffer un pancréas permet donc de rétablir la sécrétion d'insuline. D'après le document 1, on constate que 5 ans après la greffe, le taux d'anticorps anti-gad augmente brutalement. Or l'enzyme GAD est exprimée dans les îlots de Langerhans du pancréas. Donc, 5 ans après la greffe, des anticorps autoréactifs dirigés contre les îlots de Langerhans apparaissent chez le patient. Le document 2 montre que la greffe d'îlots de Langerhans humains chez des souris diabétiques permet de diminuer leur glycémie de 5 à 1 g.l -1. La suppression du greffon provoque à nouveau l'hyperglycémie (lot A). L'injection en parallèle de lymphocytes T4 d'un individu témoin n'a pas ou peu de conséquences : la glycémie diminue suite à la greffe (lot C). En revanche l'injection de lymphocytes T4 du patient diabétique annule les effets de la greffe : la glycémie reste élevée autour de 4 g.l -1. L'observation des îlots de Langerhans greffés chez les lots A et C montre une destruction de ces îlots, et notamment des cellules bêta sécrétrices d'insuline chez le lot C. Les lymphocytes T4 de l'individu diabétique ont donc provoqué une destruction des îlots greffés. Conclusion Le patient ayant subi une greffe du pancréas pour corriger son diabète de type 1, a donc au bout de 5 ans produit des anticorps autoréactifs et des lymphocytes T4 autoréactifs qui ont provoqué une destruction des îlots de Langerhans greffés. Il a donc déclenché une réaction immunitaire dirigée. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 8 11

128 Évolution de la sensibilité à l'insuline chez les diabétiques de type 2 On s'intéresse ici à un des phénomènes clefs du développement du diabète de type 2, l'insulinorésistance. Il est donc nécessaire de bien maîtriser cette notion. Il est demandé de faire le lien entre cette insulinorésistance et la perte de poids qui correspond un niveau macroscopique du phénotype. De plus, les documents présentent des données sur un plan macroscopique, cellulaire et moléculaire. Il sera donc nécessaire d'établir un lien, dans la mesure du possible, entre ces différentes échelles du phénotype. Un corrigé est proposé ci-dessous. D'après le document 1, on constate que le transfert du glucose du sang vers les cellules nécessite la présence de protéines GLUT4 dans la membrane plasmique des cellules. Les protéines GLUT4 se situent soit sur des vésicules cytoplasmiques, soit dans la membrane plasmique des cellules. En présence d'insuline, les protéines GLUT4 sont majoritairement situées sur la membrane plasmique, alors qu'en absence d'insuline elles se trouvent dans le cytoplasme. Les données du document 2 montrent qu'une perte de poids importante (> 45 kg) qui correspond à un passage de l'obésité morbide (IMC > 45 kg.m - ²) à une obésité modérée (IMC = 30,9 kg.m - ²), permet de retrouver une glycémie normale (0,84 g.l -1 ) et de réduire par 3 l'insulinémie. Enfin le document 3 montre que la présence d'insuline permet de doubler la quantité de glucose prélevée par les cellules musculaires d'un individu témoin. L'insuline est presque sans effet sur les cellules d'un individu diabétique n'ayant pas perdu de poids. Suite à une perte de poids, la présence d'insuline permet d'augmenter le transport de glucose dans les cellules d'un individu diabétique pour se rapprocher des valeurs du témoin. La quantité de protéines GLUT4 dans les cellules musculaires d'un individu diabétique est sensiblement le même avant et après la perte de poids. Conclusion La perte de poids chez les individus obèses et diabétiques permet de corriger certains paramètres physiologiques comme la glycémie et l'insulinémie. La diminution de la glycémie s'explique par un meilleur prélèvement du glucose sanguin par les cellules cibles de l'insuline. Cet effet passe non pas par une augmentation du nombre de transporteurs GLUT4, mais certainement par leur relocalisation au niveau de la membrane plasmique des cellules. Ainsi l'insulinorésistance semble provoquée par un problème au niveau de la localisation des protéines GLUT4 des cellules cibles à l'insuline. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Chapitre 8 12

129 Thème 3 Corps humain et santé Évaluation des capacités expérimentales Glycémie et diabète Suivre un protocole expérimental et utiliser un tableur L'objectif de ce travail est double. Il s'agit d'une part d'être capable de suivre un protocole expérimental et avec les résultats obtenus de construire une courbe d'étalonnage à l'aide d'un tableur. La courbe étalon est alors utilisée pour déterminer la glycémie d'un individu et ainsi poser un diagnostic. Le glucose est à la base d'une succession de deux réactions enzymatiques qui conduisent à l'apparition d'une substance colorée rose dont la concentration est directement proportionnelle à celle du glucose initialement présent. Le logiciel tableur permet de tracer une courbe étalon (courbe de tendance de type régression linéaire). Il est alors possible de déterminer graphiquement la concentration en glucose des échantillons à partir des mesures d'absorbance à f = 505 nm précédemment obtenues. Il ne faut pas oublier de tenir compte du facteur de dilution pour calculer la glycémie de l'individu. Capacités testées Suivre un protocole expérimental Préparation des échantillons réalisée suivant les consignes du protocole Colorimètre utilisé en conformité avec les indications techniques du fabricant Utiliser un logiciel tableur Construction d'un graphique correctement annoté (titre, légendes, unités) Affichage de la courbe de régression linéaire (courbe étalon) Utilisation du graphique pour déterminer la glycémie de l'individu en tenant compte du facteur de dilution de 100. Comparaison de la valeur de la glycémie mesurée avec les critères de l'oms pour poser un diagnostic. Acquis En voie d'acquisition Non acquis Utiliser «Rastop» et appliquer une démarche explicative Les capacités évaluées sont celles liées à l utilisation de logiciels et de banque de données. Les élèves ont à leur disposition trois modèles moléculaires : l'amidon c est-à-dire le subtrat de l'amylase ; l'acarbose qui est un analogue structural de l'amidon ; et enfin l'amylase associée à l'acarbose. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Thème 3 ECE PSP 1

130 À partir de données il s'agit de faire réaliser des comparaisons des structures tridimensionnelles de ces molécules et de choisir des modes de représentations pertinentes pour répondre au problème posé. Capacités testées Acquis Utiliser d'un logiciel de visualisation de modèles moléculaires Affichage en mosaïque des fenêtres avec l'amidon et l'acarbose Choix pertinent du mode de représentation de l'amidon et de l'acarbose Sélection et coloration des acides aminés du site actif de l'amylase (différent du reste des acides aminés de l'enzyme). Choix pertinent du mode de représentation des acides aminés de l'amylase et des atomes de l'acarbose. Appliquer une démarche explicative Conséquences de l'analogie structurale de l'acarbose et de l'amidon sur l'activité de l'amylase mis en évidence : acarbose et amidon sont des analogues structuraux. ; l'acarbose peut se fixer dans le site actif de l'amylase et entrer en compétition avec l'amidon. Exploiter les résultats pour répondre au problème posé : en présence d'acarbose, la digestion de l'amidon est donc moins efficace ; l'absorption instestinale de glucose sera donc réduite ce qui limite l'augmentation de la glycémie. En voie d'acquisition Non acquis NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Thème 3 ECE PSP 1

131 Pour en savoir plus L équation de Michaelis et Menten Dans les cinétiques enzymatiques, la vitesse maximale Vmax est atteinte en début de réaction pour les grandes concentrations en substrat. Donc lorsque [So] +, alors v Vmax. De plus lorsque [So] +, alors [G] << [So] et [km << [So] donc ([So]-[G])/([So]- [G]+K m ) 1. Dans ce cas l'équation (6) peut être simplifiée de la façon suivante : Donc on a bien Vmax = c[eo]. La vitesse initiale d'une réaction enzymatique correspond à la vitesse en tout début de réaction. Dans ce cas, il y a encore peu de substrats qui ont été transformés en produit et donc [G] est négligeable devant [So]. En tenant compte de cette approximation, on obtient d'après l'équation (6) : (7) Dans l'équation (7), si [So] = K m. Donc K m correspond bien à la concentration en substrat telle que v = Vmax/2. Sur une représentation graphique de la vitesse initiale en fonction de la concentration initiale en substrat (vi = f([so]), on peut donc facilement déterminer km. Ici K m = 17 mmol.l-1. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Thème 3 ECE PSP 1

132 L'équation de Michaelis et Menten repose sur l'existence de deux constantes : K m et c[eo] = Vmax. K m peut être déterminé graphiquement comme nous l'avons démontré cidessus. Il ne reste donc qu'à vérifier que c[eo] est bien une valeur constante. Lorsqu'on examine les résultats obtenus par Michaelis et Menten, quelles que soient les valeurs de [So] et du temps,on constate que c[eo] reste toujours dans une gamme étroite de valeurs entre 0,72144 et 0,83166 mmol.l -1.min -1 avec une moyenne de 0,76 +/-0,05 mmol.l -1.min -1. Il s'agit donc bien d'une constante. Les données expérimentales étant en accord avec les données théoriquement attendues, leur modèle est validé. Les études épidémiologiques Le diabète est une des maladies qui touche un grand nombre de personnes dans le monde (plus de 350 millions de personnes en 2012). Les études épidémiologiques ont permis de mettre en évidence que cette maladie affecte principalement les pays développés ou en voie de développement. Ces études ont également révélé que le diabète de type 2 est provoqué en grande partie par des facteurs environnementaux comme une consommation excessive de graisses et de sucres ou encore la sédentarité. Ces résultats ont permis de mettre en place des politiques de prévention qui ont permis notamment en particulier en France de faire reculer l'incidence de cette maladie chez les jeunes. Cependant, ces études suggère que d'ici à 2025 le nombre de personnes atteintes de diabète doublera. Cet aspect prévisionnel est important pour pourvoir anticiper les dépenses médicales à venir. Enfin, ces études épidémiologiques ont permis de mettre en évidence de nombreux gènes de prédisposition au diabète. Leurs connaissances permettent d'envisager des moyens de traitements plus ciblés et donc plus efficaces. NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Thème 3 ECE PSP 1

133 Les études épidémiologiques sont une source importante d'information sur les maladies. Cependant, un grand nombre de précautions ont à prendre afin que ces données soient fiables en particulier pour les études analytiques. Ces études se basent sur des comparaisons de groupes d'individus, malades ou non malades, exposés à un facteur de l'environnement ou non exposés, etc. Cependant, des biais au niveau de l échantillonnage peuvent facilement se produire ce qui fausse les résultats. De plus, lorsqu'on compare deux groupes d'individus il faudrait en théorie qu'ils ne diffèrent que pour le paramètre testé ce qui est pour ainsi dire impossible étant donné l extrême diversité qui existe en terme de patrimoine génétique et de mode de vie de chacun d'entre nous. De grandes précautions doivent donc être prises au moment des échantillonnages de façon à ce que les analyses statistiques se basent sur des groupes les plus représentatifs possibles de la réalité. Remarques De nombreuses informations sur les études épidémiologiques sont disponibles sur le site de l'institut de veille sanitaire ( et sur celui de l'institut Français de l Éducation ( NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Thème 3 ECE PSP 1

134 Correction des exercices BAC Thème 1 Énergie et cellule vivante 1 Phase d assimilation de la photosynthèse Ce sujet sur des documents proches de ceux vus lors de l acquisition des connaissances sur la photosynthèse. Il faudra être attentif à la rigueur du raisonnement pour que les conclusions résultent de l analyse des documents plutôt que d apports personnels. Éléments de correction : Document 1 Les molécules qui apparaissent par chromatographies bidimensionnelles sont radioactives, elles contiennent donc au moins un atome de carbone issu du CO 2 fourni aux cellules. La première molécule qui apparaît après 2 s est l APG, une molécule à trois atomes de carbone. Après 5 s, il se forme un glucide à cinq carbones et un glucide à six carbones. Après 5 min, de nombreuses autres molécules apparaissent. Ainsi, la fixation du CO 2 atmosphérique commence par son incorporation dans une molécule d acide phophoglycérique, puis dans des glucides à cinq et six carbones, avant de participer à la formation d un ensemble de molécules organiques. Ainsi, CO 2 APG Rudi P + hexoses Document 2 À la lumière, la quantité d hexoses augmente rapidement alors que la quantité d APG et de Ru.di.P augmente jusqu à atteindre un maximum. À l obscurité, la quantité d APG augmente transitoirement alors que la quantité de Ru.di.P diminue. Ceci suggère que le Ru.di.P permet la formation d APG. La quantité d hexoses atteint un palier, tout comme la quantité d APG, alors que la quantité de Ru.di.P continue à diminuer. Ainsi, on vient de montrer que : Ru di P APG hexoses À éclairement constant, les quantités d APG et de Ru.di.P sont constantes. En absence de CO 2 radioactif, la quantité d APG radioactif diminue alors que la quantité de Ru.di.P augmente. Comme il n y a plus de molécules radioactives ajoutées, cela montre que le Ru.di.P est formé à partir de l APG. On a donc APG Ru.di.P NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Exos bacs 1

135 Conclusion On aboutit alors au schéma suivant grâce à l ensemble des expériences étudiées. 2 Fibres musculaires et métabolisme Ce sujet est l occasion de montrer que le métabolisme d une fibre musculaire dépend de son matériel enzymatique et que cela a des incidences sur son activité contractile. Éléments de correction Document 1 L étude de la force de contraction en fonction du temps et des fibres musculaires permet d identifier trois types de fibres musculaires. Les fibres rouges de type 1 ont une force de contraction constante quelle que soit la durée de l exercice. Ces fibres semblent infatigables. Les fibres rouges de type 2 ont une force de contraction qui diminue progressivement jusqu à atteindre un minimum. Elles restent capables de se contracter après une heure mais l intensité de contraction est bien moindre que celle des fibres rouges de type 1. Les fibres blanches ont une force de contraction qui diminue très rapidement pour devenir très faible après seulement 4 minutes. Elles ne peuvent plus du tout se contracter au bout d un moment. Document 2 NATHAN 2012 SVT Term S spécialité Livre du professeur Exos bacs 2