Séquence 5. La biodiversité, résultat et étape de l évolution. Sommaire. 1. La biodiversité à l échelle des écosystèmes et des espèces

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1 Séquence 5 La biodiversité, résultat et étape de l évolution Sommaire 1. La biodiversité à l échelle des écosystèmes et des espèces 2. La parenté entre les espèces 3. Les modifications de la biodiversité au cours du temps 4. La biodiversité génétique et l évolution 5. Synthèse de la séquence 6. Exercices 1

2 1 La biodiversité à l échelle des écosystèmes et des espèces Pour s interroger En 1985, Edward O Wilson professeur à Harvard, publie un article, «la crise de la diversité biologique». Cet article retient l intérêt de la communauté scientifique internationale et l année suivante, un forum sur la diversité biologique est organisé à Washington. A l heure de publier le compte rendu, il est suggéré de remplacer «diversité biologique» par une contraction jugée plus efficace. Le terme de biodiversité est né et connaît un succès mondial. Ce terme est devenu familier à la plupart d entre nous. Mais que recouvre réellement cette notion? Les médias braquent souvent le projecteur sur des espèces menacées devenues emblématiques. Qui n a pas entendu parler des menaces qui pèsent sur l ours polaire ou la baleine à bosse. L année 2009 fut même déclarée année du gorille. On évoque fréquemment le nombre d espèces recensées dans le catalogue, celles qui sont menacées d extinction, celles qui pourraient le devenir. Bien entendu, l appauvrissement de la biodiversité est une préoccupation légitime et sensibiliser le public est nécessaire. Afin d accroître cette sensibilisation, l année 2010 a été baptisée «année internationale de la biodiversité». Il n en demeure pas moins que cette approche quantitative et centrée sur des espèces-phare est réductrice, passant sous silence de nombreux aspects de la notion de biodiversité ; notion qui s avère complexe et plurielle. A La diversité écologique 1. Une première approche à l échelle locale Activité 1 Recenser, extraire et organiser des informations A défaut de pouvoir réaliser une sortie sur le terrain, nous vous proposons un film que nous avons réalisé sur l Ile d Oléron. Ce film est disponible dans les «Ressources associées». Nommer le milieu étudié et préciser ses caractéristiques (climatiques, physiques, biologiques ). Montrer à l aide de quelques exemples tirés du film pourquoi ce milieu peut illustrer la notion de biodiversité. 3

3 2. La biodiversité se définit à différents niveaux du vivant Activité 2 Document 1 Recenser, extraire et organiser des informations Document 2 La biodiversité prend une dimension internationale à Rio en Lors du sommet de la Terre organisé à Rio de Janeiro en 1992, la convention pour la diversité biologique définit la biodiversité de la manière suivante : «C est la variabilité des organismes vivants de toute origine y compris, entre autres, les écosystèmes terrestres, marins et autres écosystèmes aquatiques et les complexes écologiques dont ils font partie ; cela comprend la diversité au sein des espèces et entre espèces ainsi que celle des écosystèmes» Document 3 Une infinité d écosystèmes à l échelle de la planète. Supposons un milieu donné. Par exemple, un milieu forestier. Ce milieu peut se définir par des caractéristiques physiques et chimiques (température moyenne, humidité, ph du sol ) Le grand inventaire La première notion qui vient à l esprit quand on parle de biodiversité est l abondance des espèces présentes sur la Terre. La vie est partout. Aujourd hui plus de 1,5 millions d espèces ont été décrites. Mais l inventaire est loin d être terminé. Il faut dire que la tâche est immense. Combien d espèces? 10, 20 millions? Les scientifiques ne sont pas en mesure de le dire. La prise de conscience qu une grande partie de la biodiversité était inconnue tout en étant menacée de disparaitre a relancé l intérêt pour les grandes expéditions scientifiques. Ainsi, le 21ème siècle a renoué avec les grandes explorations du 18ème siècle. Le 5 septembre 2009, le bateau Tara est parti de Lorient pour une expédition de 3 ans sur tous les océans du monde. Santo 2006 initié par le Muséum national d Histoire naturelle est une mission qui a mobilisé 160 scientifiques venus de 25 pays différents et déployés des moyens exceptionnels. Dans le prolongement de Santo 2006, la mission «Mozambique-Madagascar» est en cours depuis On peut également recenser les espèces qui y vivent : espèces végétales, animales, bactéries Des relations se mettent en place entre cette communauté d êtres vivants ; au sein d une même espèce mais également entre les différentes espèces. Ces relations peuvent être de nature différente : prédation, parasitisme, compétition Si certaines relations sont simples, d autres sont plus subtiles et difficiles à mettre en évidence. D autre part les êtres vivants agissent sur leur milieu de vie qui évolue. L évolution du milieu de vie peut à son tour agir sur la communauté d êtres vivants. On a ainsi défini un écosystème. On comprend aisément que ce modèle peut se décliner à différentes échelles : à l échelle de la forêt, d un arbre, d une branche, d un morceau de bois mort mais également à l échelle d un intestin qui peut abriter une foule d espèces de micro-organismes. À l échelle de la planète, on peut donc définir une infinité d écosystèmes Questions La biodiversité peut se définir à différents niveaux du vivant. Quels sont ces niveaux? Quelle dimension supplémentaire faut-il prendre en compte pour définir la biodiversité? 4

4 Rechercher quels sont les objectifs et l intérêt scientifique des missions citées dans le document 3. Pour cela, connectez-vous aux sites Internet suivants : Activité 3 Questions Le parc national du Mercantour est un parc de hectares situé sur les départements des Alpes-Maritimes et des Alpes de haute Provence. L altitude varie de 500 à 3098 m. Le parc national du Mercantour contient une très grande diversité d écosystèmes et d espèces (environ espèces) et constitue une zone exceptionnelle d un point de vue floristique. On y retrouve tous les étages de la végétation : de la végétation méditerranéenne (Olivier, chêne vert) jusqu aux pelouses alpines en passant par les forêts de feuillus et résineux. La moitié des espèces végétales françaises sont présentes dans le Mercantour. C est la zone la plus riche de France Métropolitaine en espèces endémiques. Les falaises en particulier sont très riches en espèces d un grand intérêt. On peut citer par exemple : Saxifraga diapensoidess et Artemisia glacialis endémique des Alpes occidentales ou Primula allionii, i endémique des Alpes maritimes. La diversité faunistique du massif est, elle aussi, remarquable. Depuis 2006, un grand inventaire est en cours afin de recenser la biodiversité du parc. A ce jour une dizaine d espèces nouvelles ont été décrites. Cette étude de grande ampleur permettra également d étudier l évolution des écosystèmes, d évaluer l impact du réchauffement climatique ou de la pollution en suivant plus particulièrement certaines espèces. Rechercher le sens du mot écrit en orange dans le texte. Rechercher des arguments permettant d expliquer la diversité d écosystèmes et d espèces dans le Mercantour. En botanique, les pelouses désignent des formations végétales basses. Des botanistes ont recensé les espèces constituant ces pelouses dans différentes stations du Mercantour. Les résultats obtenus sont donnés dans le fichier Opencalc disponible dans le site des «Ressources associées». Aide pour la lecture des résultats Outre le fait d identifier les espèces présentes dans un milieu donné, les botanistes associent également un chiffre qui correspond à l indice d abondance de cette espèce. L indice d abondance indique la surface recouverte par cette espèce. 1 : Espèce recouvrant moins de 20 de la surface du relevé 2 : Espèce recouvrant de 20 à 50 % de la surface du relevé. 3 : Espèce recouvrant de 50 à 100 % de la surface du relevé Comparer et expliquer les résultats obtenus. 5

5 B Activité 4 La biodiversité à l échelle de la planète Les points chauds ou «hot spots» de la biodiversité Se posant la question suivante : «Dans quel endroit du monde un dollar dépensé a-t-il le plus d effet pour la préservation de la biodiversité?» Norman Myers définit, à la fin des années 80, à l échelle de la planète, 34 zones géographiques qu il nomme points chauds (hot spots en anglais) de la biodiversité. Connectez-vous au site suivant : (Ce site est en anglais). Questions Ou ces points chauds sont-ils majoritairement localisés? Nous allons nous intéresser à 4 points chauds parmi ces 34 définis afin de comprendre quels sont les particularités de ces zones géographiques. Les 4 points chauds sont : La Nouvelle Calédonie, l Amérique Centrale, les Andes Tropicales, le Bassin Méditerranéen. Placer ces 4 points chauds sur la carte du monde ci-dessous. Document 4 Points chauds de la biodiversité biodiversityhotspots.org les tableaux 1, 2,3 et

6 Document 5 Nombre total d espèces décrites dans le monde pour 6 groupes d êtres vivants Taxons Nombre total d espèces décrites dans le monde Plantes vasculaires Mammifères terrestres 4596 Oiseaux 9950 Reptiles 7900 Amphibiens 4780 Poissons d eau douce Document 6 Nombre d espèces recensées et endémiques en France Métropolitaine pour ces 6 taxons Taxon France Métropolitaine Nombre d espèces % par au nombre total d espèces décrites % espèces endémiques Plantes vasculaires ,2 0,58 Mammifères 166 3,6 0 Oiseaux 539 5,41 1 Reptiles 40 0,5 0 Amphibiens 32 0,66 3 Poissons d eau 94 0,94 9,5 douce Tableau 1 : Nombre d espèces recensées et endémiques en Nouvelle- Calédonie pour ces 6 taxons Taxon Plantes vasculaires Mammifères Oiseaux Reptiles Amphibiens Poissons d eau douce Nouvelle Calédonie Nombre d espèces % par au nombre total d espèces décrites % espèces endémiques 7

7 Tableau 2 : Nombre d espèces recensées et endémiques en Amérique Centrale pour ces 6 taxons Taxon Plantes vasculaires Mammifères Oiseaux Reptiles Amphibiens Poissons d eau douce Nombre d espèces Amérique centrale % par au nombre total d espèces décrites % espèces endémiques Tableau 3 : Nombre d espèces recensées et endémiques dans les Andes Tropicales pour ces 6 taxons Taxon Plantes vasculaires Mammifères Oiseaux Reptiles Amphibiens Poissons d eau douce Nombre d espèces Andes Tropicales % par au nombre total d espèces décrites % espèces endémiques Tableau 4 : Nombre d espèces recensées et endémiques dans le bassin Méditerranéen pour ces 6 taxons Taxon Plantes vasculaires Mammifères Oiseaux Reptiles Amphibiens Poissons d eau douce Nombre d espèces Bassin Méditerranéen % par au nombre total d espèces décrites % espèces endémiques 8

8 Questions Déduire du travail précédent, les critères qui ont présidé à la définition de ces 34 zones géographiques à l échelle de la planète. Justifier la nécessité de protéger ces zones. Cette notion de hot spots est aujourd hui controversée. Quels arguments peut-on opposer à la conception de Norman Myers.? À retenir La biodiversité constitue le tissu vivant de la planète et se définit à tous les niveaux du vivant. Si la vie est partout elle est partout différente. Cette diversité des formes de vie doit être mise en relation avec la diversité des conditions de vie qu offre la planète Terre. La biodiversité n est cependant pas répartie de façon homogène. Elle se concentre préférentiellement dans les régions tropicales et méditerranéennes qui présentent un fort taux d endémisme. Comprendre la biodiversité implique de comprendre les interactions que développent les êtres vivants entre eux et avec leur environnement. 9

9 2 La parenté entre les espèces Vous avez appris au collège que, malgré leur très grande diversité, les êtres vivants sont classés en groupes emboîtés dont l existence repose sur le fait que certaines espèces possèdent des caractères (attributs) communs que les autres espèces ne possèdent pas. Revoyons cela avec un exemple précis : celui de la classification des végétaux. La présence de chlorophylle est un attribut que possèdent certains végétaux : cela justifie de les ranger dans un même groupe : celui des plantes vertes dont font partie les mousses, les fougères, les angiospermes (plantes dites «à fleurs») et les conifères. Chlorophylle PLANTES VERTES Tiges Sporogones MOUSSES Feuilles avec des nervures Sporanges FOUGÈRES Graines Graines contenues ans des fruits ANGIOSPERMES Graines portées par des cônes CONIFÈRES Parmi les plantes vertes, les mousses, les fougères, les angiospermes et les conifères possèdent des tiges alors que les algues n en ont pas. Le partage de cet attribut justifie de les classer dans un même sous-groupe dont les algues ne font pas partie. Parmi les plantes vertes à tige, les fougères, les angiospermes et les conifères ont des feuilles avec des nervures : le partage de cet attribut justifie de les classer dans un même sous-groupe, dont les mousses ne font pas partie. De la même façon, il existe une classification en groupes emboîtés des animaux et c est ainsi que plus de espèces sont classées dans le groupe des vertébrés. Quels sont les caractères communs aux vertébrés qui justifient de les classer dans un même groupe malgré leur très grande diversité? 10

10 A Les caractères communs des vertébrés justifiant de les classer dans un même groupe Les vertébrés sont extrêmement diversifiés : ils sont de morphologies très diverses, occupent les milieux continentaux, aquatiques et aériens, certains marchent, d autres nagent, d autres volent. Cependant, ils partagent tous un caractère commun que n ont pas les autres êtres vivants : leur corps est «construit autour» d une colonne vertébrale formée d os nommés vertèbres. Lorsque l on s intéresse à la façon dont le corps est construit, organisé, à la disposition des différents organes les uns par rapport aux autres, on s intéresse à ce que l on appelle le plan d organisation du corps. Quel est le plan d organisation des vertébrés? Partagent-ils tous un plan d organisation commun? Le plan d organisation peut s étudier au niveau de l aspect extérieur du corps : on décrit le plan d organisation morphologique. Il peut également concerner l étude de la disposition des organes internes : on décrit alors le plan d organisation anatomique. 1. Le plan d organisation morphologique du corps des vertébrés Voyons comment on peut carac- 1 tériser le plan d organisation morphologique d un vertébré : 2 la mouette. On peut observer que le corps 3 de la mouette est constitué de Les deux extrémités plusieurs parties qui sont, de du corps l avant vers l arrière : sont différentes 1 une tête, reconnaissable à la présence d organes sensoriels (yeux) et la bouche (bec). La tête indique l avant de l animal ; 2 un tronc qui porte les membres : deux membres antérieurs et deux membres postérieurs qui sont dans ce cas respectivement des ailes et des pattes ; 3 une queue (formée de plumes) qui indique l arrière de l animal. La tête et la queue, qui sont deux extrémités opposées du corps, ont des aspects différents : pour cette raison on dit que le corps possède une polarité avant-arrière ou polarité antéro-postérieure. 11

11 Définition Une polarité est une différence marquée entre deux extrémités opposées (= les deux extrémités ne sont pas symétriques). La polarité peut être soulignée sur les illustrations sous la forme d un axe de polarité : il s agit d un trait (ligne imaginaire) qui va de l une des extrémités de la polarité à l autre. Le dos et le ventre de l animal sont également deux opposés différents dans leur aspect. Le corps possède donc une 2 e polarité : la polarité dorso-ventrale. On peut aussi remarquer que le corps possède certains organes externes en double : un exemplaire à droite, un exemplaire à gauche. C est le cas des yeux, des pattes et des ailes. On dit que ce sont des organes pairs. avant dos et ventre sont différents arrière Définition La gauche et la droite sont donc deux côtés semblables du corps. Celui-ci possède une symétrie bilatérale, de part et d autre d un plan de symétrie que l on peut tracer grâce aux deux axes de polarités! Bilatéral = qui a deux côtés. plan de symétrie bilatérale Activité 1 Questions Raisonner : extraire des informations d un document Montrer que la symétrie bilatérale du corps de la mouette n est pas parfaite. Sur les dessins du poisson et de la grenouille (document 1), colorier la tête en jaune, le tronc en rouge et la queue, si elle existe, en vert. Tracer, s ils existent les axes de polarité antéropostérieure et dorso-ventrale respectivement en rouge et en bleu (Vous devez tracer les traits correspondant, indiquer les noms des deux extrémités et le nom de l axe). Indiquer pour chaque animal si son corps possède une symétrie bilatérale. Comparer les polarités du plan d organisation morphologique de ces deux animaux entre eux et avec celui des oiseaux (exemple de la mouette). 12

12 Document 1 Le plan d organisation morphologique de deux autres vertébrés Un poisson Une grenouille À retenir D un point de vue morphologique, les vertébrés ont tous un corps bâti selon le même plan général : ils partagent un plan d organisation morphologique commun. Le corps comporte trois parties, la tête, le tronc et la queue (voir remarque) et possède des membres ou des nageoires. Remarque e : L existence d une queue n est pas toujours vérifiée : il existe des exceptions comme les grenouilles et les grands singes Hominoïdes (dont l Homme fait partie) qui ne possèdent pas de queue. Les trois parties du corps sont organisées autour de deux polarités : la polarité antéro-postérieure et la polarité dorso-ventrale. Le corps possède donc une orientation dos/ventre et une orientation avant/arrière. Les deux polarités définissent un plan de symétrie bilatérale : le corps possède donc deux moitiés semblables : la droite et la gauche. Elle est repérable grâce à la présence d organes pairs. Les vertébrés possèdent une colonne vertébrale qui n est qu une partie de leur squelette. Quelles sont les autres parties du squelette? Les squelettes osseux des différents vertébrés ont-ils un plan d organisation commun? Y retrouve-t-on les deux polarités et la symétrie bilatérale que l on repère extérieurement? 2. Le plan d organisation du squelette osseux des vertébrés Le squelette est l ensemble des os d un animal. Ceux-ci sont unis par des articulations. Le squelette forme une «charpente» rigide qui sert de support pour les muscles et il fournit au corps des cavités protectrices pour certains organes. Grâce à lui, le corps garde une certaine forme malgré la force exercée par la gravité terrestre et possède des cavités où sont protégés certains organes. 13

13 Voyons quelles sont les différentes parties du squelette d un lapin et comment ces différentes parties sont disposées les unes par rapport aux autres. Document 2 Photos du squelette d un lapin A B D C D C Cned. Le squelette du lapin comporte 4 grands ensembles : le crâne (A) qui est logé dans la tête et qui abrite l encéphale. La mâchoire inférieure (ou mandibule) est articulée sur le crâne. la colonne vertébrale (B) qui s étend la base du crâne à l extrémité de la queue. Seules certaines vertèbres portent des côtes. le squelette des membres (C) composé de trois segments. Les ceintures osseuses (D) qui sont des os associés aux membres. Elles articulent les membres pairs (pattes, ailes). Remarque Document 3 Les nageoires des poissons ne sont pas articulées par des ceintures osseuses. Schémas des squelettes d un chat et d un lézard Activité 2 Questions Raisonner : extraire des informations d un document Indiquer sous quels noms vous connaissez les ceintures osseuses chez les humains. 14

14 Colorier les schémas des squelettes présentés dans le document 3, en respectant le code couleur suivant : crâne en jaune, colonne vertébrale en bleu, ceinture osseuse en rouge et les membres en orange. Montrer que l on retrouve, dans l organisation du squelette, les deux polarités et la symétrie bilatérale. À retenir Les squelettes de différents vertébrés possèdent une organisation de base commune (Vous devez savoir la présenter = citer les différentes parties d un squelette). On retrouve dans l organisation du squelette les deux polarités et la symétrie bilatérale (Vous devez retenir les idées exprimées dans le corrigé de la question 3 de l activité 2). Leurs organes internes sont-ils eux aussi disposés de la même manière? Nous allons parler de la disposition des organes internes, nous nous intéressons donc au plan d organisation anatomique. 3. Le plan d organisation anatomique des vertébrés L anatomie est la science qui étudie la structure interne du corps : place des différents organes dans le corps et le rapport entre les différents organes. Cette science repose donc sur la réalisation de dissections qui permettent d observer les organes en place. Document 4 La dissection d une souris afin d observer ses organes internes Matériel B Une souris posée sur le dos et fixée par des épingles dans une cuvette à dissection. Des ciseaux. Une pince. Des épingles Protocole Étape 1 : Soulever la peau du ventre avec une pince au niveau du point A et réaliser, avec les ciseaux, un petit trou («boutonnière»). A 2 2 Cned. 15

15 Introduire les ciseaux dans cette boutonnière et couper la peau le long du trait 1, jusqu au point B, en restant bien en surface pour ne pas abîmer les organes qui sont sous la peau. Couper la peau selon les traits 2 et 3. Écarter la peau sur les côtés et la maintenir avec des épingles. À ce stade, les organes ne sont pas encore vraiment visibles car, sous la peau, il y a une fine couche de muscles = peau coupée écartée sur les côtés 2 = fine couche de muscles qui masque les organes 3 = côtes vues par transparence 4 = foie vu par transparence Étape 2 : Couper la couche de muscles en procédant comme pour la peau. Résultat de la dissection d une souris mâle Cned. Remarque Comme nous avons réalisé la dissection par la face ventrale, nous voyons les organes qui sont situés en position ventrale dans le corps de la souris. Les organes qui ne sont pas situés côté ventre (en position ventrale) sont cachés par ceux qui le sont! Il faut donc, pour les observer, enlever les organes ventraux comme l intestin et le foie ou du moins les écarter sur un côté. 1 = cage thoracique 2 = cœur 3 = poumon droit (formé de plusieurs parties nommées 1 2 lobes) 3 4 = foie (formé de plusieurs 4 parties nommées lobes) 5 5 = estomac = graisse 7 = intestin 8 8 = glande de Tyson 9 = bourses 9 Le poumon gauche n est pas Cned. visible sur cette photo. La graisse n est pas un organe! Les glandes de Tyson appartiennent à l appareil reproducteur de la souris mâle. 16

16 Les bourses ne sont pas des organes internes mais sont les «poches» externes où sont situés les testicules de la souris mâle. Résultat de la dissection d une souris femelle Son foie et ses intestins ont été écartés sur le côté droit afin de pouvoir observer les organes qui sont dessous. 1 = cœur 1 2 = poumon gauche = lobes du foie 4 = intestin = rein gauche 6 6 = ovaire gauche 7 7 = utérus (en deux parties 8 chez la souris) 8 = vagin Cned. Cette dissection ne permet pas d observer système nerveux : on peut éventuellement, pendant la dissection observer des nerfs mais on ne peut voir ni la moelle épinière (cachée dans les vertèbres) ni l encéphale (caché dans le crâne). Activité 3 Questions Observer, extraire des informations d un document Indiquer quels organes on peut voir sous l intestin. Diriez-vous que ces organes sont, par rapport à l intestin, en position ventrale ou dorsale dans le corps? Diriez-vous qu ils sont en position antérieure ou postérieure? À l aide des photos de la dissection de la souris, compléter les légendes du schéma du document 5 colorier les différents appareils avec des couleurs différentes. Écrire AVANT et ARRIÈRE aux endroits qui conviennent et tracer l axe de polarité antéropostérieur. Aide à la réalisation Rappels de collège Deux des légendes sont trachée et œsophage. Les noms des appareils sont les suivants : appareil reproducteur (ou génital), appareil respiratoire, appa- reil circulatoire, appareil digestif, appareil excréteur (urinaire). Indiquer quel appareil présent sur le document 6 est absent du document 5. Colorier les différents appareils sur le document 6 en reprenant les couleurs utilisées dans le document 5. Écrire avant, arrière, dos, ventre aux endroits qui conviennent et tracer les deux axes de polarité qui organisent le corps. 17

17 Compléter le schéma du document 7 en plaçant, dans les cases, les noms des appareils ou systèmes suivants : nerveux, respiratoire, reproducteur, urinaire (excréteur), digestif. Colorier chaque case de la couleur choisie précédemment. Document 5 Schéma de la dissection d une souris mâle Remarques à propos de ce schéma : Les organes de l appareil digestif ont été écartés sur le côté et l intestin a été «déroulé». L ensemble cœur-poumons a été légèrement décalé sur le côté gauche de l animal. Les testicules ne sont pas à leur place d origine : ils ont été extraits des bourses extérieures au corps où ils sont normalement situés. Appareil... Appareil... testicules vésicules séminales glandes de Tyson vessie caecum (= appendice) Appareil... Appareil... Appareil... Document 6 La localisation des principaux appareils et organes dans le corps de la souris 18

18 Document 7 Schéma de l organisation anatomique antéro-postérieure et dorso-ventrale du corps de la souris AVANT DOS axe de polarité... ARRIÈRE axe de polarité... VENTRE Ce plan d organisation anatomique est-il partagé par d autres vertébrés? Voyons ce qu il en est chez une grenouille. Document 8 Photo du résultat de la dissection par la face ventrale d une grenouille femelle peau couche de muscles ovaire droit intestin poumon gauche foie estomac vessie Cned. 19

19 Document 9 Croquis du résultat de la dissection, par la face ventrale, d une grenouille femelle (l intestin a été «déroulé» et écarté sur le côté) Activité 4 Questions Observer, extraire des informations d un document Écrire AVANT et ARRIÈRE aux endroits qui conviennent sur le document 9. Colorier les différents appareils de la grenouille, en reprenant les mêmes couleurs que pour la souris. Aide à la réalisation Comparer la disposition en faisant référence aux axes de polarité. Employer des expressions telles que «en position dorsale», «situés dans la région postérieure», etc. Comparer la disposition des poumons, du cœur, de l appareil digestif et des reins chez la grenouille et chez la souris. À retenir Tous les vertébrés présentent une anatomie comparable. Leurs organes se ressemblent et sont disposés de la même façon par rapport aux axes de polarité du corps : l appareil digestif est en position ventrale de même que le cœur (appareil circulatoire) et les organes respiratoires, tandis que le système nerveux central (encéphale et moelle épinière) est en position dorsale : tous les autres appareils occupent une position ventrale par rapport à lui. Pour de nombreux appareils on identifie la symétrie bilatérale grâce aux organes pairs. L appareil digestif est impair, les organes qui le composent sont en positon asymétrique. 20

20 Le plan d organisation anatomique commun aux vertébrés n est-il pas partagé par d autres animaux? Document 10 Le plan d organisation d un insecte : la guêpe La morphologie externe de la guêpe La localisation de quelques appareils de la guêpe (animal vu en coupe longitudinale) Quelques données : Le système nerveux est formé de ganglions, c est-à-dire de renflements qui sont des amas de cellules nerveuses. Les ganglions forment une «chaîne nerveuse». Le système circulatoire est constitué d un seul vaisseau comprenant plusieurs «cœurs». Activité 5 Questions Raisonner : rechercher des données en relation avec le problème posé Écrire AVANT et ARRIÈRE aux endroits qui conviennent sur le document 10. Colorier les différents appareils en reprenant les mêmes couleurs que pour la souris et la grenouille. Montrer que le corps de la guêpe présente les mêmes polarités que celui des vertébrés. Lister tous les arguments qui permettent de montrer que la guêpe ne partage pas le plan d organisation des vertébrés. Le corps des vertébrés n est pas le seul à être organisé autour d une polarité antéro-postérieure et d une polarité dorso-ventrale : celui des insectes l est également. Cependant, chez les insectes, le corps n est pas découpé de la même manière le long de l axe antéropostérieur : au lieu de tête-troncqueue, on distingue la tête, le thorax et l abdomen. De plus il n y a pas de membres (ou nageoires), mais 3 paires de pattes et deux paires d ailes. La tête porte des antennes. 21

21 Les organes ne ressemblent pas à ceux des vertébrés et ne sont pas disposés de la même manière dans le corps. Une différence majeure est notamment que l appareil nerveux est situé en position ventrale et non pas dorsale. À retenir Chez les animaux, il existe plusieurs plans d organisation. Les vertébrés partagent tous un même plan d organisation, les insectes partagent tous un même plan d organisation différent de celui des vertébrés. Ainsi, malgré leur diversité, les vertébrés ont un plan d organisation commun. Cela justifie de les regrouper dans un même ensemble de la classification. Lorsque plusieurs espèces partagent un ou des caractères communs exclusifs, c est-à-dire non partagés par d autres, on dit qu elles sont apparentées. Les espèces de vertébrés sont apparentées par leur plan d organisation (on peut parler de parenté d organisation). Comment peut-on scientifiquement expliquer les parentés entre des organismes? B La signification des parentés entre espèces Le partage, par plusieurs espèces, d un (ou de plusieurs) caractère commun suggère un héritage d une espèce ancestrale commune. Les espèces apparentées par le partage d un caractère commun exclusif dérivent toutes d une même espèce ancestrale (c est-à-dire ancienne) commune. Cette espèce ancestrale possédait ce caractère. Elle est la première à l avoir acquis et elle l a transmis à tous ses descendants (de génération en génération). Les relations de parenté peuvent être représentées dans des arbres de parenté ou arbres phylogénétiques. 22

22 Document Un arbre de parenté construit à partir des données du tableau de caractères (3) Apparition de... Temps (2) Apparition de... AC commun à tous les vertèbrés Apparition des vertèbrés (1) Apparition de... AC = espèce ancestrale commune = apparition d un nouveau caractère Tableau des caractères ayant servi à construire l arbre de parenté Légende : : caractère absent / + : caractère présent Caractères Espèces Guêpe saumon grenouille homme souris Yeux et bouche Vertèbres Pattes charnues munies de doigts poils Activité 6 Questions Raisonner : extraire des données d un document, adopter une démarche explicative Entourer, dans l arbre de parentés, le groupe des vertébrés, c est-àdire l ensemble de tous les animaux actuels ou passés qui possèdent ou possédaient des vertèbres. Grâce au tableau des caractères, situer l apparition de chaque caractère à l endroit (1,2,3) qui convient. Justifier le fait que l on peut dire que l homme et la souris sont plus étroitement apparentés entre eux qu avec le saumon ou la grenouille. À retenir Le partage de caractères communs par plusieurs espèces permet de les apparenter et de définir des groupes dans la classification des êtres vivants. Les espèces apparentées, qui sont donc classées dans un même groupe, ont une origine commune : leurs caractères communs sont un héritage d une espèce ancestrale commune. D après l arbre de parenté, indiquer si les vertébrés partagent un ancêtre commun avec la guêpe. Si oui dites quel caractère ils ont tous hérité de cet ancêtre commun. 23

23 3 Les modifications de la biodiversité au cours du temps Les espèces actuelles n ont pas toujours existé, et par ailleurs certaines espèces ont disparu, comme le groupe des Dinosaures, il y a 65 millions d années. Comment évolue la biodiversité au cours du temps? A Les témoins de la modification de la biodiversité au cours du temps Activité 1 Question Saisir des informations les mettre en relation avec le problème posé A partir des documents 1 et 2, déterminer comment évolue la biodiversité au cours du temps sur notre planète. La réponse est à rédiger sous forme d un texte et le document 2 est à annoter. Aide à la réalisation A partir du document 1 : Classer en trois groupes les êtres vivants en relation avec leur existence au cours du temps.(citer les groupes) A partir du document 2 : Décrire l évolution globale du nombre de familles en milieu marin au cours du temps. Déterminer si l évolution est linéaire, comment qualifie-t-on les périodes d extinctions massives? Repérer par des traits horizontaux ces périodes. Mettre en relation les deux documents pour montrer que les modifications sont globales (affectent tous les milieux et tous les groupes). 24

24 Document 1 Évolution de la biodiversité végétale terrestre depuis 245 millions d années. Temps actuel (en millions d'années) 0 0 Fougères TERTIAIRE 65 Angiospermes (plantes à fleurs) Document 2 SECONDAIRE CRÉTACÉ JURAS. TRIAS. Fougères à graines Bennettitales La largeur d une bande est proportionnelle au nombre de taxons présents à un moment donné. Évolution du nombre de familles d animaux marins au cours du temps au cours des 600 derniers MA MA MA MA À retenir nombre de familles Globalement depuis le début de l histoire de la vie, il y 3 milliards d années la biodiversité est croissante. Néanmoins, L histoire de la vie n est pas linéaire, Certaines périodes ont été marquées par des extinctions massives appelées crises biologiques, qui ont modifié la biodiversité. L état actuel de la biodiversité correspond à une étape de l histoire du monde vivant : les espèces actuelles ne représentent qu une infime partie (1%) du total des espèces ayant existé depuis le début de la vie. La biodiversité actuelle n est qu un instantané de l histoire de la vie. 25

25 D autres facteurs peuvent-ils modifier la biodiversité? B Activité 2 Les causes des modifications de la biodiversité A partir des documents proposés, rédiger un texte organisé présentant les différentes causes susceptibles de modifier la biodiversité. Aides Aide n 1 relative à l exploitation du document 4. Repérer ce que chaque axe du diagramme pollinique représente. Compléter le tableau proposé (document 5), en relevant le nom des espèces présentes et leur abondance relative par le code suivant (+ = abondant, - = peu abondant). Mettre en relation l abondance des pollens et les informations relatives aux préférences thermiques des espèces, pour compléter la dernière colonne. En déduire la cause des modifications de la biodiversité du site considéré. Aide n 2 relative à la rédaction de la réponse. Repérer les idées essentielles de chaque document pour identifier une cause pouvant modifier la biodiversité. Organiser la réponse en fonction du type de cause. Document 3 Des prélèvements qui permettent de remonter le temps La tourbe est un sol formé en milieu humide qui résulte de l accumulation des mousses au cours du temps. Pendant sa formation, elle piège les pollens des espèces végétales environnantes. Les pollens sont des cellules reproductrices émises en quantité très importante à la belle saison par les plantes à fleurs terrestres. Les scientifiques sont en mesure d identifier les espèces végétales grâce à leur pollen, les pollens étant spécifiques d une espèce végétale donnée. Des prélèvements ont été réalisés à des profondeurs différentes donc à des périodes différentes. (Plus la profondeur de prélèvement est importante et plus l âge du prélèvement est élevé). Une étude des pollens a été réalisée afin d identifier les espèces végétales présentes à un moment donné et de les quantifier. Les résultats sont présentés sous forme d un diagramme pollinique. 26

26 Document 4 Étude de pollens dans la tourbe du Mont Tar dans le centre de la France Age 0 Age 0 Age Abondance relative des pollens en % Herbacés Sapin Chêne Information scientifique : Les espèces végétales ont des préférences climatiques (Température, humidité), On considère que les espèces du passé ont les mêmes exigences climatiques que les espèces actuelles (principe de l actualisme). Les pollens constituent ainsi des indicateurs des climats du passé. Les exigences thermiques de quelques espèces végétales Espèces végétales Préférence thermique Chêne Entre 10 et 15 C Sapin Entre 6 C et 8 C Herbacés Entre 5 C et 8 C Document 5 Périodes considérées De 0 à ans De à ans Abondance relative des espèces végétales étudiées Herbacée : Sapin : Chêne : Herbacée : Sapin : Chêne : Indication climatique Document 6 Petites histoires de la biodiversité Les écosystèmes Méditerranéens transformés par une algue invasive Les scientifiques estiment que plus de 6000 espèces exotiques se sont installées en France. Tous les écosystèmes sont concernés. Ces espèces qui constituent des populations hors de leur aire de répartition initiale sont des espèces invasives Certaines espèces perturbent fortement les écosystèmes et ont un impact écologique important. Ainsi Caulerpa taxifolia, algue verte originaire d Australie a proliféré dans les eaux méditerranéennes. Ces algues détruisent les écosystèmes originaux entrainant une diminution de la biodiversité globale en Méditerranée. 27

27 La spirale infernale La morue qui vit dans l Atlantique Nord a longtemps été pêchée de façon intense. Cette pêche excessive a entraîné l effondrement de la population de morues et l interdiction de la pêche. Malgré cette décision, la population ne s est pas reconstituée. Par ailleurs, la diminution des effectifs de morue a favorisé l augmentation des effectifs de petits poissons et crustacés libérés de la pression exercée par le prédateur. Les petits poissons et crustacés consomment essentiellement du zooplancton herbivore qui a donc diminué. Le zooplancton diminuant, le phytoplancton a proliféré et les concentrations de nitrates ont à leur tour diminué. Le renard jardinier Au début du 20 e siècle, des renards furent introduits sur certaines îles de l archipel des Aléoutiennes. Ces renards étaient appréciés pour leur fourrure dont le commerce était encore florissant. Plus d un siècle plus tard, une équipe de scientifiques a mesuré l impact de cette introduction sur l écosystème. La présence du prédateur a entrainé une chute important des populations d oiseaux marins. Ces derniers nichent au sol et constituent des proies faciles. Les oiseaux sont 100 fois moins nombreux sur les îles peuplées de renards. Cette chute des effectifs a diminué l apport annuel de guano déposé au sol par les oiseaux ce qui a entraine une diminution de la fertilité des sols et une modification de la végétation. Passagers clandestins Le transport maritime contribue à modifier la biodiversité à l échelle de la planète Transportées dans les ballasts ou accrochées aux coques des bateaux de nombreuses espèces ont ainsi quitté leur aire de répartition originelle. Ainsi, la crépidule (Crepidula fornicata) originaire des côtes nord est de l Amérique du nord a envahi les côtes Bretonnes, Normande ou Atlantique. Sa biomasse est estimée à plus de tonnes dans la baie de Saint-Brieuc dans les côtes d Armor. Sur les îles sans renards, les graminées représentent l essentiel des végétaux tandis que sur les îles ou le mammifère est présent la population végétale est composée de graminées et de buissons. La présence du renard a donc été à l origine d une transformation d une prairie en toundra. 28

28 À retenir L état actuel de la biodiversité ne représente qu une étape de l histoire de vie, au cours du temps la biodiversité se modifie, sous l effet de nombreux facteurs de l environnement, Il peut s agir de facteurs climatiques, par exemple. Actuellement les activités humaines peuvent aussi générer des modifications de la biodiversité, avec des impacts sur les différents niveaux de la biodiversité. Les activités humaines peuvent avoir des effets négatifs et conduire au déséquilibre écologique d un milieu, à la dégradation d un écosystème, ou encore à la disparition d espèces Néanmoins, de nombreuses actions témoignent aussi de la prise de conscience de l importance du maintien de la biodiversité (sommet de Rio, année 2010 : année dédiée à la biodiversité ), Les actions sont menées à différents niveaux. (Par exemple : réintroduction d espèce, création de zones de préservation, législation pour protéger certaines espèces menacées.) Toutes ces actions sont générées par une prise de conscience de la responsabilité humaine face à l environnement et au monde vivant et contribuer ainsi à la préservation du monde vivant. L Homme lui-même étant élément de la biodiversité. Une liste rouge de espèces. Pour en savoir plus La «liste rouge» de l IUCN (Union mondiale pour la Nature) des animaux menacés compte plus de espèces. Les 10 animaux les plus menacés sont actuellement le Grand Requin, le Tigre du Bengale, le Napoléon, l Eléphant d Asie, le cacatoès, le Gorille, Le Panda géant, la tortue à nez de cochon, le Dauphin de l Irrawaddy et le Gecko à queue feuillue. La disparition de ces espèces est en relation avec la détérioration de l environnement, notamment le déboisement. Par exemple, la disparition des Ramins, arbres tropicaux de Malaisie et d Indonésie utilisés pour la fabrication de queues de billard, nuit à l équilibre naturel des tigres et des orangsoutan espèces déjà fragilisées. L inventaire de cette liste permet d informer le public, de le sensibiliser, mais aussi s adresse aux pouvoirs politiques, pour mettre en œuvre des actions limitant la diminution de la biodiversité. Parmi les actions menées, on peut citer le programme de restauration et de conservation de l Ours brun dans les Pyrénées, ainsi que la préservation des populations par exemple le Gibbon en parcs animaliers, comme au parc zoologique de Branféré (Fondation Nicolas Hulot). 29

29 4 La biodiversité génétique et l évolution Pour s interroger La biodiversité se définit au niveau des écosystèmes et des organismes, mais également au niveau génétique. Il existe une biodiversité génétique! Des questions Qu est-ce que la biodiversité génétique? A La biodiversité génétique La diversité génétique recouvre la diversité des gènes de tous les organismes vivants. Les bactéries ont de l ordre de 5000 gènes, les cellules humaines de l ordre de répartis sur 23 chromosomes différents et les cellules de riz, répartis sur 12 chromosomes différents. Les gènes (composés d ADN) permettent la transmission des caractères propres à une espèce. Les individus d une même espèce possèdent les mêmes gènes, la diversité des caractéristiques des individus (couleur de l iris de l œil, couleur de la peau chez l espèce humaine par exemple) est due à l existence d allèles (qui sont des conséquences de mutations). L existence d allèles différents au sein d une espèce constitue sa diversité génétique. Document 1 Activité 1 Questions Les allèles de deux individus d une même espèce Dans une espèce donnée, un INDIVIDU 1 gène déterminant un caractère (Espèce A) se trouve toujours à la même place (au même locus), sur le même chromosome. Dénombrer pour chaque gène, le nombre d allèles différents de chacun des deux individus. Indiquer combien d allèles sont présents en tout (individu 1 + individu 2) pour chacun des gènes. Paire 1 de chromosomes homologués Gène a (4 allèles différents) Gène b Gène c Gène d Gène e INDIVIDU 2 (Espèce A) Paire 1 de chromosomes homologués 30

30 Activité 2 Questions On cherche à montrer que la diversité des allèles reflète la diversité des caractères d une population d individus appartenant à la même espèce. Après avoir pris connaissances des documents 2 et 3, compléter le tableau ci-dessous. Différence entre les allèles A et B Différences entre les allèles A et O Exploiter les documents 2 et 3 pour établir un lien entre les séquences d ADN et des caractères différents observés chez des individus de la même espèce. Questions sur le document 4 a) indiquer le % d individus dans la population française qui sont porteurs de l allèle B et indiquer une population chez laquelle cet allèle a une fréquence de 25 à 30 % b) Montrer que des populations très différentes peuvent avoir la même fréquence de l allèle B c) Montrer que l inverse est également vrai, à savoir que des populations proches peuvent avoir des fréquences alléliques différentes Document 2 Les groupes sanguins La présence ou l absence de certaines molécules accrochées à la surface de la membrane cellulaire des globules rouges (révélées à l aide d anticorps), détermine quatre groupes sanguins principaux : les groupes A, B, AB et O. Le groupe A possède la molécule A, le groupe B, la molécule B, le groupe AB, les deux molécules et le groupe O, aucune. Ces molécules sont des marqueurs sanguins. Les groupes sanguins sont déterminés par l expression d un gène situé sur le chromosome 9. Ce gène permet la fabrication d une molécule qui détermine la synthèse de ces marqueurs. Ce gène existe sous trois formes différentes appelées allèles A, allèle B et allèle 0. Document 3 Comparaison de 4 extraits des séquences des allèles A, B et O Le logiciel Anagène permet d afficher et de comparer les séquences d ADN des allèles A, B et O en prenant A comme référence. 31

31 La ligne «identités» permet de visualiser les nucléotides communs signalés par une étoile (*). L absence d étoile indique une différence. Les nucléotides identiques sont signalés par un tiret normal (-) au niveau de la séquence comparée à A. Les différences sont elles repérées soit par un tiret vers le bas ( _ ) en cas de nucléotide absent, soit par l indication du nucléotide de l allèle comparé à A. Comparaison des nucléotides 255 à 263 Numéro des nucléotides Identités * * * * * * * * Allèle A G G T G A G G C T Allèle B Allèle O _ Comparaison des nucléotides 520 à 526 Numéro des nucléotides Identités * * * * * * * * Allèle A G T G C G C C T A Allèle B G Allèle O Comparaison des nucléotides 697 à 705 Numéro des nucléotides Identités * * * * * * * * Allèle A C C C G G C T T C Allèle B G Allèle O Comparaison des nucléotides 792 à 800 Numéro des nucléotides Identités * * * * * * * Allèle A C C T G G G G G G Allèle B - A C Allèle O

32 Comparaison des deux derniers nucléotides Numéro des nucléotides Identités * * Allèle A G A Allèle B - A Allèle O - - Document 4 Carte montrant la fréquence de l allèle B dans les différentes populations mondiales La fréquence allélique est la proportion d un allèle par rapport à tous les autres allèles du même gène, dans une population. Une population désigne les individus de la même espèce qui vivent dans une même zone géographique au même moment. Pourcentage de la population qui possède l allèle B : 0 à 5 % 5 à 10 % 10 à 15 % 15 à 20 % 20 à 25 % 25 à 30 % À retenir Il existe une biodiversité génétique. À l échelle de la biosphère elle correspond à la diversité des gènes des différentes espèces. À l échelle de chaque espèce, elle correspond à la diversité des allèles des différents gènes et à leur fréquence dans les différentes populations de cette espèce. La diversité génétique d une espèce est une richesse pour elle d un point de vue évolutif. 33

33 B Des mécanismes génétiques sont à l origine de l évolution Si l on considère deux populations distinctes mais de la même espèce, ces deux populations qui ont les mêmes gènes, peuvent présenter des diversités d allèles différentes. Les fréquences des différents allèles peuvent être différentes, c est-àdire que certains allèles peuvent être présents chez un plus grand nombre d individus dans une population que dans l autre. Certains allèles peuvent même carrément être absents chez certaines populations! Cette diversité génétique au sein des populations peut conduire à l évolution car elle est amenée à se modifier au cours du temps. En effet, au fil des générations, la fréquence des allèles peut varier. Qu est-ce qui fait varier la diversité génétique des populations au cours du temps? Deux mécanismes génétiques peuvent avoir pour conséquence une augmentation ou une diminution de la fréquence de certains allèles dans une population. Du fait de ces deux mécanismes certains allèles peuvent même carrément disparaître! Vous connaissez l un de ces mécanismes : il s agit de la sélection naturelle. L autre se nomme dérive génétique. 1. La dérive génétique 1re chose La dérive génétique est une modification aléatoire de la diversité des allèles en relation avec le hasard lié à la reproduction sexuée des individus. En effet lors de la reproduction sexuée, deux choses entièrement liées au hasard interviennent : Dans une population, tous les individus ne se reproduisent pas : certains individus meurent sans descendance. Seuls les individus qui ont des descendants transmettent leurs allèles. Des allèles sont donc amenés à disparaître avec des individus qui meurent sans descendance. Population descendants 34

34 Comme le fait que certains individus laissent des descendants et d autres pas relève du hasard (hasard de la vie!), tout se passe donc comme s il y avait, dans la population, un «tirage au sort» entre les individus : ceux qui laissent des descendants et ceux qui n en laissent pas. 2e chose Document 5 Vous avez vu au collège que lorsqu un individu se reproduit, il ne transmet à chaque descendant que la moitié de ses allèles or comme le nombre de ses descendants n est pas infini, certains de ses allèles ne sont pas transmis! Tout se passe donc comme s il y avait, parmi les individus qui laissent des descendants, un second «tirage au sort» : les allèles qui sont transmis aux descendants et ceux qui ne le sont pas (et donc disparaissent avec l individu qui les porte!). Illustration de la dérive génétique Voici un jeu pour simuler la dérive génétique : faites le réellement si vous avez le matériel à portée de main! ÉTAPE 1 : Prendre au hasard, 22 billes (ou perles ou pions ou boutons) de 6 sortes différentes : ils représentent une population d animaux (souvenez-vous bien de la définition d une population!) : on a donc 22 individus avec, pour certains, des caractères différents et pour d autre des caractères semblables. ÉTAPE 2 : Mettre ces 22 billes dans un sac et en tirer 6 au sort. ÉTAPE 3 : Prendre un dé et le lancer une fois pour chacune des 6 billes tirées au sort. Le numéro qui «tombe» indique le nombre de descendants qu a cet «individu» (dans l exemple présenté, en 6 lancés, le dé n est jamais tombé sur 2 ni sur 6). Population initiale : Individus ayant des caractères différents Individus qui laissent des descendants (hasards de la vie) Nombre de descendants de chacun (hasards de la vie) Les caractères Descendants de la population initiale ont disparu 35